Colegiul ,,GHEORGHE TTRESCUTRANZISTORULAbsolvent: PNESCU SORINA

TRANZISTORUL BIPOLAR CU JONCIUNICUPRINS1. Descriere, funcionare ..22. Relaii ntre curenii tranzistorului bipolar ...43. Regimurile de funcionare ale tranzistorului bipolar 54. Conexiunile i caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar ...75. Influena temperaturii asupra caracteristicilor statice i parametrilor de regim static

ai tranzistorului bipolar .116. Polarizarea tranzistoarelor bipolare ..146.1. Generaliti 146.2. Determinare grafic a punctului static de funcionare ..156.3. Stabilizarea termic a punctului static ..176.3.1. Circuite de polarizare utiliznd elemente liniare ...176.3.2. Circuite de polarizare utiliznd elemente neliniare ....197. Tranzistorul bipolar n regim variabil de semnal mic. Analiza grafic a regimului

dinamic

8. BIBLIOGRAFIE . 22Tranzistorul bipolar cu jonciuni 1. Descriere, funcionare

Un tranzistor este un cristal de Si sau Ge n care, printr-o tehnologie special, s-au creat regiuni de tipul p i n ntr-o succesiune oarecare. Dup modul de succesiune a acestor regiuni exist tranzistore de tipul pnp i de tipul npn a cror reprezentare simbolic este dat n fig. 1.b.

Indiferent de tipul tranzistorului, la realizarea sa trebuie respectate urmtoarele cerine constructive:

- regiunile laterale s fie mai puternic dopate cu impuriti dect regiunea central (pentru a se obine un numr mai mare de purttori de sarcin);

- grosimea regiunii centrale s fie mult mai mic dect lungimea de difuzie a purttorilor de sarcin i mai puin dopat cu impuriti.

Cele trei regiuni ale unui tranzistor poart denumirea de emitor (E), baz (B) i colector(C). n cadrul structurii de tranzistor se formeaz dou jonciuni, fig. 1.a, pentru cazul unui tranzistor pnp.

- jonciunea dintre emitor i baz denumit jonciunea emitorului, JE , polarizat direct de ctre sursa EE ;

- jonciunea dintre baz i colector denumit jonciunea colectorului, JC , i polarizat n sens invers de ctre sursa EC .

Emitorul fiind mai puternic dopat cu impuriti dect baza

i jonciunea emitor baz fiind polarizat direct, prin ea va circula un curent de difuzie, golurile din emitor difuzeaz n baz, formnd curentul ipE , fig.2, iar electronii din baz difuzeaz n emitor, formnd curentul inBE .

Deoarece concentraia impuritilor, deci i a purttorilor majoritari este mult mai mare n emitor dect n baz curentul de difuzie prin jonciunea emitorului va fi, n cea mai mare parte, un curent de goluri. Golurile injectate din emitor n baz vor deveni n baz purttori minoritari. Lungimea bazei fiind foarte mic i baza fiind dopat cu impuriti mult mai puin dect colectorul rezult c jonciunea colectorului se va extinde n zona n a bazei. Ca urmare, golurile difuzate n baz vor fi preluate i transportate n colector de ctre cmpul intern, din regiunea de trecere a jonciunii colectorului, formnd curentul ipEC . n regiunea colectorului golurile vor reprezenta o sarcin pozitiv care atrage electronii din sursa de alimentare EC , n colector, dnd natere unui curent de electroni, IC . Deci, golurile circul prin tranzistor ntr-un sens iar electronii n sens opus. La trecerea prin regiunea bazei o parte (2%) din golurile difuzate din emitor nu trec n colector, ci se recombin cu electronii din baz formnd curentul ipEB . n cazul n care este alimentat numai jonciunea colectorului (deci EE = 0), fiind polarizat invers, prin aceast jonciune va circula numai curentul invers de purttori minoritari notat cu ICB0 i numit curent rezidual colector baz cu emitorul n gol. El este generat de purttorii minoritari att din baz ct din colector i are valori de ordinul A la tranzistoarele din Ge i de ordinul nA la tranzistoarelor din Si.

innd cont de cele artate mai sus rezult c prin tranzistor circul, n conformitate cu diagrama de cureni dat n fig. 2, urmtorii cureni:- un curent de emitor IE , dat de relaia:

IE = ipE +inBE(1)- un curent de colector IC, avnd expresia:

IC =ipEC +iCB0(2)

- un curent de baz IB, dat de relaia:

IB +ipEB + inBE ICB0(3) Adunnd IC cu IB i innd cont de relaia :

ipE = ipEC + ipEB(4)

rezult relaia fundamental ntre curenii unui tranzistor:

IE = IB + IC(5)

Sensurile curenilor prin tranzistor n cazul unui tranzistor pnp sunt date n fig. 2.b. Din aceast figur rezult c tensiunile ntre terminalele tranzistorului sunt legate prin relaia:

UCB = UCE + UEB(6)

n concluzie, referitor la funcionarea unui tranzistor (pnp sau npn), avnd jonciunea emitorului polarizat direct i pe cea colectorului polarizat invers se pot reine urmtoarele aspecte importante:

- tensiunea emitor baz (UEB ) este mic (zecimi de volt) deoarece jonciunea emitorului este polarizat n sens direct;

- tensiunea colector baz (UCB) are o valoare mare (voli sau zeci de voli) deoarece jonciunea colectorului este polarizat invers;

- curentul de colector este aproximativ egal cu cel de emitor (IC IE) deoarece IB are valori de ordinul A; - deoarece curentul obinut n circuitul de ieire al tranzistorului (circuitul colector emitor) este practic egal cu cel din circuitul de intrare (circuitul emitor baz) iar |UCB| = |UBE| rezult c puterea ce se poate obine n circuitul de ieire este mai mare dect puterea n circuitul de intrare, ceea ce permite realizarea funciei de amplificare n putere a unui semnal. Tranzistorul transfer curentul din circuitul de intrare de rezisten mic n circuitul de ieire de rezisten mare. De aici i denumirea de tranzistor (transistor = transfer rezistor).2. Relaii ntre curenii tranzistorului bipolarDac se are n vedere semnificaia mrimilor IpEC i IpE atunci se definete factorul static de amplificare n curent al emitorului, N , astfel:

N = IpEC / IpE(7) El caracterizeaz efectul de tranzistor i exprim fraciunea din curentul de goluri din emitor care devine curent de colector i are valori curente n domeniul 0,98... 0,998.

Deoarece concentraia purttorilor majoritari este mai mare n emitor dect n baz componenta inBE se poate neglija n raport cu ipE i relaia (1) se poate scrie:

IE ipE (8)innd cont de relaiile (2) i (3) se obin pentru curenii IC i IB expresiile:

IC = N IE + ICB0(9)

IB = (1 N)IN ICB0(10)Dac n relaia (10) se nlocuiete IE cu expresia sa rezultat din relaia (9) se obine:

sau:

(11)

Pe baza relaiei (11) se definete un alt parametru esenial al tranzistorului bipolar i anume factorul static de amplificare n curent (factor de amplificare al curentului baz colector) :

(12) Acest parametru exprim raportul dintre componenta curentului de colector datorat curentului de emitor i componenta curentului de baz datorit recombinrii. Deoarece N este foarte apropiat de 1, valoarea lui este cuprins ntre 30 i 1000. Pe baza relaiei (12), expresia curentului de colector, (11), devine:

IC = IB + (1 + )ICB0(13)

Dac n relaia (11) curentul de baz se consider nul (IB=0), se obine:

(14) ICE0 se numete curent rezidual colector emitor i reprezint curentul care circul ntre colector i emitor, baza tranzistorului fiind n gol. Dac n relaia (14) se ine cont de expresia lui N , dedus din relaia (12), se obine:

ICE0 = (1 + )ICB0(15)

Din relaiile (14) i (15) se constat c ICE0 > ICB0 . Definirea celor doi cureni reziduali este indicat n fig. 3.a pentru curentul ICE0 i n fig. 3.b pentru curentul ICB0.

Valorile curenilor ICE0 i ICB0 fiind uor msurabile, sunt indicate n cataloage, ele fiind utile n proiectarea circuitelor cu tranzistoare bipolare.

n practic, deseori, n calculele de regim static cu tranzistoare bipolare se utilizeaz relaia (11) sub form aproximativ:

3. Regimurile de funcionare ale tranzistorului bipolar

Regimurile de funcionare ale unui tranzistor bipolar sunt determinate de modul de polarizare al celor dou jonciuni, jonciunea emitorului ( JE ) i jonciunea colectorului ( JC ). Deoarece fiecare jonciune poate fi polarizat direct sau invers tranzistorul se poate afla n unul din urmtoarele regimuri de funcionare (cazul tranzistorului pnp).

- regimul normal, atunci cnd:

JE este polarizat direct ( UEB > 0 )

JC este polarizat invers ( UCB < 0 )

- regimul invers, atunci cnd:

JE este polarizat invers ( UEB < 0 )

JC este polarizat direct ( UCB > 0 )

- regimul de blocare (tiere), atunci cnd:

JE este polarizat invers ( UEB < 0 )

JC este polarizat invers ( UCB < 0 )

- regimul de saturaie, atunci cnd:

JE este polarizat direct ( UEB > 0 )

JC este polarizat direct ( UCB > 0 )

n regim normal de funcionare sensurile curenilor sunt artate n fig. 4.a pentru un tranzistor pnp. n acest regim tranzistorul realizeaz cea mai mare amplificare i din acest motiv regimul normal este cel mai folosit n aplicaiile n care este necesar obinerea unei amplificri mari.

n regim invers de funcionare, fig. 4.b jonciunea colector-baz fiind polarizat direct, colectorul va injecta purttori minoritari n baz, care dup ce difuzeaz prin ea vor fi n cea mai mare parte colectai de emitor, jonciunea emitor baz fiind

polarizat invers. Curenii ce strbat colectorul, respectiv emitorul vor avea sensuri opuse sensurilor stabilite pentru regimul normal de funcionare.

Pentru regimul inversat se definete factorul static de amplificare invers, R , ca fiind raportul ntre curentul de emitor IER i curentul de colector ICR (litera R evideniaz faptul c este vorba de regimul invers Reverse):

(16)

El are valori tipice n domeniul 0,5... 0,8. De asemenea, se definete i un ctig invers n curent, R :

(17)

care are valori tipice n domeniul 1...5.

Valoarea lui R este mult mai mic dect valoarea ctigului n regim normal de funcionare, . Funcionarea tranzistorului n regiunea activ invers este rar ntlnit n circuitele analogice.

Regimurile de funcionare normal i invers se numesc regimuri active deoarece permit obinerea unei amplificri. Evident, proprietile de amplificare ale tranzistorului sunt mult mai bune n regimul normal dect n cel invers.

Spre deosebire de aceste regimuri active, n regimurile de tiere (blocare) i saturaie unde ambele jonciuni sunt polarizate la fel, tranzistorul nu poate amplifica. n regimul de tiere ambele jonciuni fiind polarizate invers, nu se injecteaz purttori

minoritari n baz prin nici una din ele i curentul prin tranzistor este practic nul. n regimul de saturaie, cele dou jonciuni fiind polarizate direct prin ele se injecteaz purttori minoritari n baz. Prin tranzistor va trece un curent ntr-un sens sau altul dup cum predomin injecia de purttori la una din cele dou jonciuni. Tensiunile pe cele dou jonciuni sunt ns mici i nu pot s varieze dect foarte puin.

4. Conexiunile i caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar

Deoarece tranzistorul are trei terminale, pentru a putea fi utilizat ntr-un circuit de amplificare este necesar ca un terminal s fie comun att circuitului de intrare ct i circuitului de ieire. n funcie de terminalul utilizat ca born comun se disting trei

conexiuni principale, fig. 5.

- conexiunea baz comun (BC), la care baza este luat ca born comun i la intrare i la ieire, fig. 5.a;

- conexiunea colector comun (CC), la care colectorul este luat ca born comun, att pentru circuitul de intrare ct i pentru cel de ieire, fig. 5.b;

- conexiunea emitor comun (EC) la care emitorul este luat ca born comun celor dou circuite, fig. 5.c.

ntr-un circuit de amplificare tranzistorul poate fi considerat ca un cuadripol activ, fig. 6, cruia i se aplic la intrare o tensiune U1, implicit i un curent de intrare I1, iar la ieire se obin un curent I2 i o tensiune U2.

Legturile care se stabilesc ntre aceste mrimi n regim staionar constituie caracteristicile statice ale tranzistorului. Ele se exprim analitic, dar cel mai frecvent sunt date sub form grafic. Pentru fiecare conexiune (BC, CC, EC) exist o diversitate de familii de caracteristici statice, fiecare familie reprezentnd o relaie ntre trei dintre mrimi, una n abscis, una n ordonat i cea de-a treia fiind considerat parametru.

Principalele tipuri de caracteristici ale tranzistoarelor bipolare, sunt:

- caracteristicile de intrare, care coreleaz dou mrimi de intrare, parametru fiind o mrime de ieire;

- caracteristicile de ieire, care coreleaz dou mrimi de ieire, parametru fiind o mrime de intrare;

- caracteristicile de transfer - care coreleaz o mrime de ieire cu una de intrare, parametru putnd fi n principiu, oricare alt variabil electric.

n cazul conexiunii BC, fig. 5.a, mrimile de intrare sunt curentul de emitor IE i tensiunea de polarizare a jonciunii emitorului UEB , aplicat ntre emitor i baz. Aadar, caracteristica de intrare va reprezenta dependena:

i este prezentat n fig. 7.a, pentru un tranzistor pnp.

Pentru UCB = 0 caracteristica tranzistorului corespunde cu cea a unei diode n polarizare direct.

Pentru tensiuni UCB < 0 rezult caracteristici distincte, totui foarte apropiate. Inversarea polaritii tensiunii UCB , adic UCB > 0 , determin deplasarea n jos a caracteristicilor.

n circuitul de ieire tranzistorul este caracterizat de curentul de colector IC i de tensiunea UCB , aplicat ntre colector i baz. Caracteristica de ieire va reprezenta dependena:

i este indicat n fig. 7.b.

Regiunea activ normal corespunde aproape integral cu cadranul nti. Sub caracteristica corespunztoare lui IE = 0 se gsete regiunea de blocare (tiere). Limita dintre cele dou regiuni este la IC = ICB0 (practic neglijabil fa de IC ). Regiunea de saturaie se gsete la stnga axei corespunztoare curentului IC . Caracteristicile din fig. 7.b. pun n eviden creterea curentului de colector cu tensiunea UCB < 0. Aceasta se explic prin efectul Early (efect de modulare a limii bazei). Micorarea grosimii bazei determin reducerea timpului de trecere a purttorilor de sarcin minoritari prin ea i reduce posibilitile de recombinare a acestor purttori.

n consecin, rezult o cretere a coeficientului N care justific creterea suplimentar a lui IC cu tensiunea UCB, pus n eviden prin variaia IC .

Din fig. 5.a. se pot deduce i relaiile ntre curenii i tensiunile ce caracterizeaz tranzistorul n conexiunea BC:

IE = IB + IC

UCB = UCE +UEBn conexiunea EC, fig. 5.c, mrimile de intrare sunt curentul de baz IB i tensiunea UBE , aplicat ntre baza i emitorul tranzistorului. n consecin, caracteristica de intrare exprim dependena:

i este dat n fig. 8.a.

Din fig. 8.a se observ c alura caracteristicilor de intrare este aceiai ca i la conexiunea BC, cu observaia c reprezentarea se face la o alt scar. La valori mici ale tensiunii de polarizare direct a jonciunii emitorului, caracteristica de intrare trece i prin cadranul IV (linia mai subire din fig.4.10.a) deoarece n circuitul bazei predomin curentul ICB0 . La tranzistoarele din siliciu, curentul ICB0 este foarte mic i caracteristica de intrare se poate considera c trece prin origine.

Pentru semnale mari caracteristica de intrare poate fi liniarizat ca n fig. 8.b. Tensiunea UBED , denumit i tensiune de deschidere a jonciunii baz emitor, depinde de tipul semiconductorului. La tranzistoarele realizate din siliciu UBED = (0,6... 0,7 V) iar la cele din germaniu UBED = (0,2... 0,3 V).

Caracteristicile de transfer ale conexiunii EC sunt descrise de relaia:

care n funcionare normal a tranzistorului se reduce la o singur curb, fig. 9.a.

La valori medii ale curenilor (curba trasat cu linie plin) dependena IC = f (IB ) este aproape liniar. Aceasta nseamn c raportul :

denumit factor static de amplificare n curent (notat uneori cu h21E ) poate fi considerat constant.

La cureni mari (regiunea superioar a caracteristicii trasat cu linie subire) curentul IC scade, n timp ce la cureni mici IB crete, n ambele cazuri factorul scznd fa de valoarea sa de la cureni medii. Dac se extrapoleaz regiunea liniar a caracteristicii, se obine modelul liniarizat de c.c. reprezentat prin dreapta din fig. 9.a. Ordonata la origine a acestei drepte se noteaz cu ICE0 i se numete curent rezidual colector emitor cu baza n gol (deoarece se determin la IB = 0, deci cnd circuitul de baz este ntrerupt).

Modelul liniarizat al caracteristicii de transfer este descris analitic prin expresia :

IC =IB +I CE0unde ICE0 are valori n limitele (1 100) nA la tranzistoarele din Si i (0,1 10) A la tranzistoarele din Ge.Caracteristicile de ieire sunt descrise de relaia :

i sunt reprezentate n fig. 9.b.

Pe aceste caracteristici se pot pune n eviden regiunile de funcionare ale tranzistorului corespunztoare celor trei regimuri de funcionare, normal, saturat i blocat.

a) regiunea de blocare, delimitat de caracteristica IB = 0. n acest caz prin tranzistor circul un curent IC = ICE0 , de ordinul nA. Acest curent indic faptul c pentru blocarea unui tranzistor nu este suficient ntreruperea circuitului bazei. La un tranzistor din Ge blocarea complet se realizeaz dac se aplic ntre baz i emitor o tensiune UBE (0,1... 0,2 V) iar pentru tranzistoarele din Si dac UBE = 0V , adic jonciunea emitor baz se scurtcircuiteaz.

b) regiunea activ normal, unde trebuie s se plaseze punctul static de funcionare al tranzistorului n circuitele de amplificare. Prin punct static de funcionare se nelege punctul din planul unei familii de caracteristici ale crui coordonate sunt valorile staionare ale mrimilor electrice asociate terminalelor. n cazul conexiunii EC punctul static de funcionare are coordonatele UCE i IC .

n regiunea activ normal la IB = ct. se observ o uoar cretere a lui IC cu UCE datorit efectului Early, care const n ngustarea bazei odat cu creterea tensiunii aplicate n circuitul colectorului. La aceast conexiune caracteristicile de ieire au o nclinare relativ mare, fa de cazul conexiunii BC.

c) regiunea de saturaie, care se obine polariznd direct ambele jonciuni. n aceast regiune tensiunea UCEsat este mic, valorile tipice ale ei fiind cuprinse n intervalul (0,05 - 0,3V).

La saturaie valoarea curentului de colector este :

unde RC este rezistena din circuitul de colector al tranzistorului. Dac se consider UCEsat 0, rezult ICsat = EC /RC . Acestui curent i corespunde un curent de baz de saturaie dat de relaia:

n regiunea de saturaie orict de mult se mrete curentul de baz peste IBsat , curentul de colector rmne constant.

5. Influena temperaturii asupra caracteristicilor statice i parametrilor de regim static ai tranzistorului bipolar

Creterea temperaturii mrete concentraia purttorilor de sarcin n semiconductoare, deci i n regiunile tranzistorului, determinnd modificri ale caracteristicilor i parametrilor acestuia. La temperaturi uzuale i mari, creterea numrului de purttori de sarcin se datoreaz generrii intrinseci de perechi electron gol. Creterea absolut a concentraiei este aceiai pentru purttorii majoritari ct i pentru cei minoritari. Cu toate acestea, creterea relativ a purttorilor majoritari este neglijabil fa de creterea purttorilor minoritari.

Deoarece la formarea curenilor particip ambele tipuri de purttori, caracteristicile i parametrii vor depinde de temperatur datorit variaiei concentraiei purttorilor minoritari (care are loc dup o lege exponenial).

Influena temperaturii asupra caracteristicilor de intrare

i de ieire

ale unui tranzistor bipolar este ilustrat n fig. 10.

Se observ c odat cu creterea temperaturii (T2 > T1 ) caracteristicile de intrare se deplaseaz spre stnga, fig. 10.a, determinnd o scdere liniar a tensiunii UBE la curent de baz constant,iar cele de ieire se vor deplasa n sus, fig. 10.b, determinnd o cretere a curentului IC .

Parametrii de regim static ai tranzistorului bipolar, puternic influenai de temperatur, sunt: curentul rezidual ICB0 , tensiunea baz emitor UBE i factorul de amplificare .

Curentul rezidual ICB0 , are cea mai puternic dependen de temperatur. Variaia sa cu temperatura este de tip exponenial, fiind descris de relaia:

ICB0 = ICB00 exp [a(TT0 )] (18)unde: ICB00 - este valoarea lui ICB0 la T = 25oC;

a - factor ce exprim rapiditatea de variaie a lui ICB0 cu temperatura.

ICB0 - este de ordinul nA (1 ... 10nA) la tranzistoarele cu Si de mic putere i de ordinul A (1... 10) la tranzistoarele de mare putere. La tranzistoarele cu Ge creterea temperaturii determin o cretere important a lui ICB0 , pe cnd la cele cu Si aceast cretere este de multe ori neglijabil.

Din caracteristicile de intrare, fig. 10.a, se observ c la curent constant (IB = ct.) odat cu creterea temperaturii se constat o scdere liniar a tensiunii |UBE| . Aceast variaie a tensiunii UBE este exprimat prin coeficientul de variaie cu temperatura al tensiunii:

(19)Variaia lui cu temperatura poate fi evaluat cu relaia:

(20)unde: N0 = (T0) C = 100C pentru Ge i 50C pentru Si.Temperatura maxim admisibil este cuprins ntre 80... 100oC pentru tranzistoarele cu Ge i ntre 150... 200oC pentru tranzistoarele cu Si. Variaia cu temperatura a celor trei parametrii este dat n fig. 11.

Domeniul de funcionare al unui tranzistor bipolar funcionnd n regim de amplificare este delimitat n planul caracteristicilor de ieire de trei parametrii, fig. 12:

- puterea disipat maxim ( Pd.max );

- tensiunea colector - emitor maxim ( UCEmax );

- curentul de colector maxim ( ICmax ).

Puterea disipat este dat de relaia :

Pd = PdE + PdC = UBE IE + UCE ICdar cum UBE = UCE iar IE IC rezult c PdE se poate neglija i se obine:

Pd = UCE ICiar

Pd.max = UCEmax IC.maxCreterea Pd peste Pd.max determin mbtrnirea tranzistorului, adic o deteriorare lent n timp sau, cnd Pd este foarte mare tranzistorul se distruge ca efect al supranclzirii.

n consecin, se impune pentru Pd.max o condiie restrictiv de forma

Pd.max Pd.max.ad (21)

Aceast condiie determin n planul caracteristicilor de ieire o grani sub form de hiperbol, numit hiperbol de disipaie.

Depirea tensiunii UCEmax determin apariia urmtoarelor efecte:

- efectul de multiplicare prin avalane, adic purttorii de sarcin sunt accelerai foarte mult i smulg ali purttori din legtura covalent a reelei;

- efectul de penetraie, adic zona de trecere cuprinde toat lungimea bazei. n ambele cazuri are loc o cretere foarte mare a curentului prin tranzistor ceea ce determin deteriorarea lui.

Pentru evitarea apariiei acestor efecte se impune pentru UCE o condiie restrictiv de forma :

UCE UCE max (22)

O astfel de condiie determin o grani sub forma unei linii verticale n planul caracteristicilor de ieire.

Depirea curentului ICEmax determin creterea temperaturii jonciunii i n final deteriorarea tranzistorului.

Din acest motiv pentru IC se impune o condiie de forma:

IC IC.max (23)

Aceasta determin n planul caracteristicilor de ieire o grani sub forma unei linii orizontale.

Limitrile impuse puterii disipate de colector, tensiunii colector emitor, precum i curentului de colector, determin un domeniu admisibil de funcionare a tanzistorului, n planul caracteristicilor statice de ieire. n fig. 12 domeniul admisibil de funcionare l constituie regiunea nehaurat din planul caracteristicilor de ieire.

6. Polarizarea tranzistoarelor bipolare.6.1. Generaliti

Pentru ca un tranzistor s funcioneze n regim normal trebuie ca jonciunea emitor baz s fie polarizat direct, iar jonciunea colector baz s fie polarizat invers. Polarizarea corespunztoare a celor dou jonciuni se realizeaz folosind o

surs de tensiune continu, EC . Pentru a putea obine de la aceeai surs att tensiunea de polarizare pentru jonciunea emitor baz, ct i tensiunea de polarizare pentru jonciunea colector baz, tensiuni diferite ca valoare se folosesc diverse reele de

rezistene care asigur valorile corespunztoare tensiunilor de polarizare. n fig. 13. este prezentat un circuit de polarizare simplu, pentru un tranzistor npn n conexiunea EC. Polarizarea bazei se realizeaz cu o tensiune pozitiv, culeas prin intermediul

rezistenei RB de la borna pozitiv a sursei EC .

Pentru determinarea valorilor rezistenelor RB i RC se pleac de la impunerea coordonatelor punctului static de funcionare ( IC , UCE ) pe caracteristicile de ieire,

,ale conexiunii EC. Aplicnd teorema lui Kirchhoff referitoare la tensiuni n circuitul de ieire se obine:

EC = RC IC + UCEde unde rezult:

RC = ( EC UCE ) / IC (24)

Pentru circuitul de intrare, n baza aceleiai teoreme se scrie relaia:

EC = RB IB + UBEdin care se obine expresia de calcul pentru RB :

RB = ( EC UBE ) / IB (25)Dac n relaia:

IC = IB + (1 + )ICB0se neglijeaz curentul ICB0 , care n cazul tranzistoarelor din Si are valori foarte mici, atunci curentul de baz se determin cu relaia:

Dac n relaia (25) se ine cont de faptul c la tranzistoarele din Si, UBE 0, 65V i n consecin UBE = EC , atunci rezistena RB se calculeaz cu relaia:

(26)

Dup alegerea valorii rezistenei RB din relaia (26)

rezult:

(27)

Din relaia (27) rezult c aceast schem lucreaz cu o valoare constant a curentului de baz. Ea nu compenseaz variaiile curentului de colector cu temperatura i este util la temperaturi constante, apropiate de temperatura mediului ambiant.

6.2. Determinare grafic a punctului static de funcionare

Punctul static de funcionare (PSF) este denumirea generic pentru ansamblul valorilor de curent i tensiune asociate electrodului din planul caracteristicilor de ieire ale tranzistorului. n conexiunea emitor comun, PSF are coordonatele IC i UCE i se noteaz P( IC , UCE ) iar n conexiunea colector comun, PSF are coordonatele P( IE , UCE ). n cazul unui etaj de amplificare este necesar ca PSF s fie situat n regiunea activ pe poriunea liniar a caracteristicilor de ieire.

Pentru determinarea PSF se consider un etaj de amplificare cu un tranzistor n conexiunea emitor comun, polarizat ca n fig. 13. Presupunnd cunoscute valorile mrimilor EC , RC i RB se pune problema determinrii coordonatelor PSF, adic a mrimilor IC i UCE . Pentru aceasta se aplic teorema a doua a lui Kirchhoff n circuitul de ieire i rezult relaia:

EC = RC IC + UCE (28)

care conine ambele necunoscute, IC i UCE .

Deoarece se dispune de o singur ecuaie pentru determinarea necunoscutelor IC i UCE se folosesc caracteristicile de ieire ale conexiunii emitor comun, fig.14.

Pe aceste caracteristici se reprezint ecuaia (28), la tieturi. Pentru IC = 0 , rezult UCE = EC iar pentru U CE = 0

rezult IC = EC / RC . Dreapta care unete cele dou puncte, de pe abscis i ordonat, se numete dreapt de sarcin static ().

Pentru a stabili unde se afl plasat PSF pe dreapta de sarcin se aplic teorema a doua a lui Kirchhoff pe circuitul de intrare, rezultnd relaia:

EC = RB IB + UBE (29)

Dac se ine cont de faptul c UBE = EC , iar mrimile EC i RB se consider cunoscute, rezult:

IB EC / RB = ct. (30)

Intersecia dreptei de sarcin () cu caracteristica de ieire corespunztoare curentului de baz dat de relaia (30) determin punctul static de funcionare P, ale crui coordonate sunt IC i UCE . Din fig. 14 se determin i nclinarea dreptei () care este dat de relaia:

tg = RC (31)

Alegerea punctului static de funcionare se face innd cont de urmtoarele considerente:

- s fie plasat n regiunea activ, pe poriunea liniar a caracteristicilor, fig. 12, ntr-un domeniu delimitat de ICmax , UCEmax i Pdmax ;

- s fie situat n zona median a dreptei de sarcin (), astfel nct la funcionarea n regim variabil de semnal mic semnalul la ieire s nu fie distorsionat;

- efectul temperaturii, a crei cretere determin deplasarea sa pe dreapta de sarcin spre cureni de colector mai mari, n timp ce scderea acesteia determin deplasarea spre regiunea de blocare.

6.3. Stabilizarea termic a punctului static

n capitolul 5 s-a artat c principalii parametrii ai tranzistorului afectai de temperatur sunt ICB0 , |UBE| i . La variaia temperaturii, efectele celor trei parametrii se cumuleaz, determinnd variaii ale curentului n acelai sens. Considernd curentul de colector ca o funcie de temperatur, aceast dependen poate fi exprimat astfel:

IC (T) = IC [ICB0 (T), |UBE| (T), (T)](32)Difereniind relaia (32) i trecnd la variaii mici ale parametrilor se obine:

(33)

Notnd:

; ;

(34)mrimile SI , SU, i S se numesc factori de sensibilitate. Ei caracterizeaz dependena

de temperatura determinat de parametrul respectiv.

innd cont de relaiile (34), relaia (33) se scrie:

IC = SI ICB0 + SU |UBE| + S (35)

Valorile factorilor de sensibilitate sunt determinate de structura circuitului de polarizare i pot fi controlate prin proiectare.

Factorul SI este adimensional i se consider satisfctor dac are valori:

SI (4... 8)

SU are dimensiunile unei conductane, deci se exprim n nS i are valori acceptabile dac acestea sunt de ordinul ( 0,1... 0,2 ) nS.

Factorul S are dimensiunile unui curent, deci se exprim n A i se consider c are valori satisfctoare dac rezult de ordinul A. Importana celor trei termeni din relaia (35) este diferit, n funcie de temperatur. Astfel, la temperaturi sczute

cea mai mare contribuie o are termenul SU |UBE| n timp ce termenul SI ICB0 este important la temperaturi uzuale mai ridicate.

Prin urmare, circuitul de polarizare al unui tranzistor trebuie s asigure nu numai funcionarea tranzistorului ntr-un PSF precizat ci i stabilizarea termic a PSF. Aceasta se realizeaz:

- prin circuite de polarizare utiliznd elemente liniare, bazate pe utilizarea reaciei negative;

- prin circuite de polarizare utiliznd elemente neliniare, la care variaiile ntr-un sens ale parametrilor tranzistorului sunt anulate de variaiile parametrilor unor elemente neliniare de circuit.

6.3.1. Circuite de polarizare utiliznd elemente liniareCele mai utilizate circuite de polarizare bazate pe utilizarea elementelor liniare sunt date n fig. 15. n schema din fig.15.a pentru a realiza stabilizarea termic a PSF se introduce n emitor rezistena RE , un element liniar. Dac se consider c are loc o cretere a temperaturii, aceasta determin creterea curentului de colector i deci modificarea PSF. Considernd c ntre curenii tranzistorului exist relaia IE IC , rezult c odat cu creterea lui IC crete i IE . Pe de alt parte, curentul IE determin pe rezistena RE ocdere de tensiune RE IE .

Din circuitul de intrare al tranzistorului rezult:

UBE = UB RE IE(36)Deoarece UB = ct. , atunci cnd curentul de colector crete, crete i tensiunea RE IE i n consecin tensiunea UBE scade. Aceasta duce la scderea curentului de baz, limitndu-se astfel tendina de cretere a curentului de colector datorit creterii temperaturii. Relaia (36) indic faptul c rezistena RE introduce o reacie negativ dup curentul din circuitul de ieire. Rezistena RE nu poate avea valori prea mari deoarece pe ea are loc o pierdere de tensiune continu, care se scade din sursa EC . Din aceste considerente rezistena RE se alege din condiia:

RE IE = (0,1... 0,2)EC (37)Schema prezint dezavantajul c pentru rezistena RB rezult valori mari iar cderea de tensiune pe ea, RB ICB0 acioneaz n circuitul de intrare favoriznd creterea curentului de colector cu temperatura i deci modificarea poziiei PSF. De

aceea este indicat s se lucreze cu valori ct mai mici pentru RB .

Aceast condiie este asigurat de ctre circuitul din fig. 15.b, numit circuit de polarizare cu divizor rezistiv n baz. Funcionarea circuitului este asemntoare cu a circuitului anterior, ea bazndu-se tot pe reacia negativ de curent introdus de rezistena RE . Deosebirea const n faptul c tensiunea UB , de polarizare a bazei din schema precedent este nlocuit cu tensiunea UR 2 , care se obine la bornele rezistenei R2 parcurs de curentul divizorului, Idiv .

Pentru calculul practic al circuitului de polarizare din fig. 15.b se utilizeaz pentru dimensionarea divizorului condiia:

Idiv 10 IB (38)

Acest circuit de polarizare se mai numete i circuit cu autopolarizare. Dezavantajul circuitului cu autopolarizare const n cderea de tensiune continu pe rezistena RE , care, dup cum s-a artat, nu poate fi prea mare. n cazul n care curentul de ieire are variaii mari nu este recomandabil s se utilizeze rezistena RE , fiind folosit circuitul din fig. 15.c la care polarizarea bazei se realizeaz printr-o rezisten RB , conectat ntre baz i colector. n acest caz curentul de baz se calculeaz cu relaia:

(39) La creterea temperaturii, crete curentul de colector iar tensiunea UCE scade. n baza relaiei (39) scade i curentul de baz, acest fapt conducnd la limitarea creterii curentului de colector. Acest mecanism de funcionare a schemei are la baz reacia negativ de tensiune pe care o introduce rezistena RB .

Dezavantajul comun al circuitelor de polarizare liniar este c micoreaz amplificarea tranzistorului n regim dinamic.6.3.2. Circuite de polarizare utiliznd elemente neliniare

Aceste circuite utilizeaz alturi de elementele liniare i elemente neliniare de circuit, care mbuntesc performanele circuitelor de polarizare. Cele mai utilizate circuite de polarizare cu elemente neliniare sunt date n fig. 16. Schema din fig. 16.a

are n circuitul bazei o diod D, polarizat invers de sursa EC . Schema realizeaz compensarea variaiei cu temperatura a curentului rezidual colector baz, ICB0 .

Aplicnd teorema nti a lui Kirchhoff n nodul din circuitul bazei, rezult:

I = I0 + IB(40)

unde I0 reprezint curentul invers prin dioda D. Din relaia (40) se obine:

IB = I I0 (41)

Dac n relaia:

IC = IB + (1 + )ICB0se nlocuiete IB cu expresia sa dat de relaia (41) i se ine cont de faptul c < 1 , rezult:

IC = ( I I0 + ICB0 ) (42)Dac se alege dioda astfel nct s se asigure I0 = ICB0 , curentul rezidual se nchide prin diod i nu va mai influena polarizarea bazei tranzistorului iar din relaia (42) rezult:

IC = IAceasta nseamn c IC , i deci punctul static de funcionare, nu vor mai fi afectai de temperatur. Schema prezint dezavantajul c nu asigur i stabilizarea termic a tensiunii UBE . O astfel de stabilizare se realizeaz utiliznd schema din fig. 16.b. Schema conine un termistor n divizorul bazei. Termistorul este un element de circuit realizat prin presare din materiale semiconductoare omogene, a crui rezisten RT scade la creterea temperaturii dup o relaie exponenial. Aceasta determin scderea tensiunii de polarizare URT , aplicat n circuitul de intrare i n consecin i a tensiunii UBE , compensndu-se astfel creterea curentului de colector datorit

variaiei tensiunii UBE , n principal. Schema asigur i compensarea variaiei lui ICB0 cu temperatura dac termistorul este n contact termic ct mai bun cu tranzistorul. Prin alegerea judicioas a termistorului i prin conectarea, dac este nevoie, de rezistene n serie i paralel, se poate obine compensarea variaiei cu temperatura a curentului rezidual ICB0 i a tensiunii UBE ntr-o gam larg de temperaturi.

7. Tranzistorul bipolar n regim variabil de semnal mic. Analiza grafic a regimului dinamic

Regimul dinamic (variabil) al unui tranzistor bipolar presupune funcionarea tranzistorului n cazul aplicrii unor semnale variabile n timp.

Condiia de semnal mic impune ca amplitudinea semnalului alternativ aplicat la intrare s aib valori suficient de reduse astfel nct punctul de funcionare s se deplaseze pe poriuni liniare ale caracteristicilor statice. Practic, semnalul se

consider mic dac amplitudinea sa maxim nu depete 10 mV. Aplicaia fundamental a tranzistorului bipolar, aceea de amplificator de semnale ofer exemplul tipic de funcionare n regim dinamic. n acest sens, se consider un etaj de amplificare

cu un tranzistor n conexiune emitor comun, fig. 17, la intrarea cruia se aplic de la un generator ug , de rezisten rg , un semnal ui , care ndeplinete condiia de semnal mic.

Circuitul de polarizare asigur funcionarea etajului ntr-un punct static de funcionare P. n fig. 18 sunt prezentate caracteristicile de ieire ale etajului, pe care s-a trasat dreapta static de sarcin () i s-a precizat punctul static de funcionare, P. Se observ c PSF se gsete n centrul regiunii active, ceea ce permite etajului s realizeze o amplificare aproximativ liniar, i se afl la intersecia dreptei de sarcin cu caracteristica de ieire corespunztoare curentului de baz IBP .

BIBLIOGRAFIE

1. Bistriceanu Gh, Eleodor.,

Introducere n electronic i aplicaiile ei, Editura

MATRIX ROM, Bucureti, 1996.

2. Damachi, E.,

Dispozitive semiconductoare multijonciune, Editura

Tehnic, Bucureti, 1980.

3. Dasclu, D., .a.,

Dispozitive i circuite electronice, Editura Didactic i

Pedagogic, Bucureti, 1982.

4. Dnil, Th., Reus, N., Boiciu, V.,

Dispozitive i circuite electronice, Editura Didactic i

Pedagogic, Bucureti, 1983.

5. Mihaiu Ilie Mircea.,

Dispozitive i circuite electronice, vol. I, Editura Spirit

Romnesc, Craiova, 1996.

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

PAGE 1

_1483451486.unknown

_1483509600.unknown

_1483516267.unknown

_1483588504.unknown

_1483588588.unknown

_1483591590.unknown

_1483593536.unknown

_1483594050.unknown

_1483592110.unknown

_1483588599.unknown

_1483590528.unknown

_1483588577.unknown

_1483524747.unknown

_1483524945.unknown

_1483529242.unknown

_1483524188.unknown

_1483511269.unknown

_1483512027.unknown

_1483515231.unknown

_1483513730.unknown

_1483511408.unknown

_1483509684.unknown

_1483510121.unknown

_1483508264.unknown

_1483509172.unknown

_1483509443.unknown

_1483508824.unknown

_1483505767.unknown

_1483507602.unknown

_1483507763.unknown

_1483507303.unknown

_1483453276.unknown

_1483453730.unknown

_1483454141.unknown

_1483452977.unknown

_1483449341.unknown

_1483451301.unknown

_1483451327.unknown

_1483450192.unknown

_1483451012.unknown

_1483450059.unknown

_1483448845.unknown

_1483449021.unknown

_1483444580.unknown

_1483448591.unknown

_1483443860.unknown

_1483443890.unknown

_1483443811.unknown