TRANZISTORUL BIPOLAR CU JONCTIUNI

TRANZISTORUL BIPOLAR CU JONCTIUNI

OBIECTUL APLICATIEI

Se studiaza tranzistorul bipolar cu jonctiuni la functionarea ca amplificator in regiunea activa normala si la functionarea in regim de comutatie. Se traseaza toate tipurile de caracteristici ale TBJ in conexiune emitor comun (EC) la functionarea in RAN. Se calculeaza folosind teoremele Kirchoff punctual static de functionare (PSF) al schemei clasice de polarizare a unui TBJ. Se compara cu valorile obtinute prin calcul mathematic folosind programul MatLab si cu rezultatele simularii PSpice. Se analizeaza theoretic comportarea TBJ in regim de comutatie pe sarcina R si R-L si se compara cu rezultatele obtinute prin simulare.

CARACTERISTICI STATICE ALE TBJ

Privit din punctul de vedere al teoriei sistemelor automate, un TBJ poate fi considerat un diport (cuadripol) avand doua perechi de borne numite porturi,unul de intrare si unul de iesire (fig.1).

Fig. 1. TBJ in conexiune EC privit ca diport

Fiecare dintre cele doua porturi este caracterizat prin doua marimi electrice, anume o tensiune si un curent de intrare, respective o tensiune si un curent de iesire. Caracteristicile statice reprezinta graficele dependentelor unui curent in functie de o tensiune, atunci cand celalat current si cealalta tensiune sunt constante, la alimentarea TBJ in current continuu. Ele sunt date de catalog.

Exista trei tipuri de caracteristici statice:

• Caracteristici statice de intrare, care reprezinta dependenta intre curentul si tensiunea de intrare;
• Caracteristici statice de transfer, care reprezinta dependenta intre curentul de iesire si tensiunea de intrare;
• Caracteristici statice de iesire, care reprezinta dependenta intre curentul si tensiunea de iesire.

De exemplu, pentru TBJ in conexiune EC marimile de intrare si de iesire precum si caracteristicile statice sunt prezentate in tabelul 1. Atragem atentia ca marimile de intrare si de iesire precum si relatiile care definesc caracteristicile statice se modifica atunci cand conexiunea TBJ-ului se modifica din EC (emitor comun) in CC (colector comun) sau BC (baza comuna).

Tabelul 1. Marimile electrice si caracteristicile statice ale TBJ in conexiune EC

Analiza PSpice

Caracteristica statica de intrare

Conform tabelului 1, caracteristica statica de intrare a unui TBJ in conexiune EC este graficul dependentei i_B = i_B(u_BE) pentru u_CE = constant. Pentru TBJ tip npn, daca folosim modelul intern de TBJ al programului PSpice notat QINT (tip 2N2222), caracteristica statica de intrare poate fi obtinuta prin simularea circuitului din figura 2 alimentat in current continuu.

Fisierul de intrare tbj.cir corespunzator are urmatorul continut:

Caracteristica de intrare a tipului NPN de model intern PSpice

VCC 3 0 10V

IBB 0 1 100uA

RB 1 0 1000K

RC 2 3 0.01

QT 2 1 0 QINT

.MODEL QINT NPN(BF=200)

.DC IBB 0uA 100uA 0.5uA

.PROBE

.END

Figura 2 circuit pentru trasarea caracteristicilor de intrare si de transfer

Caracteristica statica de transfer

Conform tabelului 1, pentru trasarea ei se foloseste acelasi circuit :

Obs. I(RC) este in realitate negativ, si are parte comuna de grafic cu IBB pentru intervalul [0V,0.6V].

Caracteristica de iesire

Conform tabelului 1, caracteristica de iesire a unui TBJ este graficul dependentei i_C = i_C (u_CE) pentru u_BE = constant. Pentru TBJ tip npn, daca folosim modelul intern de TBJ al programului PSpice notat QINT (tip 2N2222), caracteristica statica de iesire poate fi obtinuta prin simularea circuitului din figura 3:

Figura 3 Circuit pentru trasarea caracteristicii statice de iesire a TBJ

Fisierul corespunzator tbj_ce.cir contine:

Caracteristica de iesire a tipului NPN de model intern PSpice

VCC 4 0 10V

IB 0 1 25uA

RB 1 2 0.01

RC 4 3 0.01

QT 3 2 0 QINT

.MODEL QINT NPN(BF=200)

.DC VCC 0V 10V 0.05V IB 5uA 25uA 5uA

.PROBE

.END

Vizualizarea familiei de caracteristici statice este asigurata de instructiunea .DC cu baleiere implicate. Sintaxa acestei instructiuni este:

.DC [LIN] <variabila baleiaj> <valoare finala> <increment> [urmatoarea specificatie de baleiaj]

Instructiunea .DC din fisierul de intrare desemneaza efectuarea unei analize de current continuu, avand o baleiere a sursei VCC care contine o bucla interna de baleiere a curentului de baza IB, anume pentru fiecare valoare a lui VCC de la 0 la 10V cu pasul de 0,05V se baleiaza si IB intre 5 μA si 25 μA cu pasul de 5 μA.

Se ruleaza programul PSpice si se traseaza curentul I(Rc). Se identifica fiecare curba de   parametru IB=constant.

STUDIUL TBJ IN REGIUNEA ACTIVA NORMALA (RAN)

Orice analiza de curent alternativ a etajelor de amplificare realizate cu TBJ incepe cu analiza in curent continuu, deci TBJ real se inlocuieste cu modelul sau de curent continuu (figura 4).

Fig.4. Model PSpice pentru analiza in c.c. a TBJ in conexiune EC

a) TBJ in conexiune EC b) model de c.c. a TBJ in conexiune EC

Analiza de c.c. se mai numeste si polarizarea TBJ-ului si are ca scop determinarea punctului static de functionare (PSF) care este un punct in planul caracteristicilor statice de iesire de coordinate PSF(V_CE , I_C). Ca exemplu de calcul al PSF se propune schema din figura 5.a in care daca se inlocuieste TBJ cu modelul sau de c.c. din figura 4.b se obtine schema echivalenta din figura5.b.

Figura 5.Analiza in regim de c.c. a unui TBJ in conexiune EC

a) schema clasica de polarizare TBJ; b) schema echivalenta de calcul a PSF

A)     Calculul PSF si al altor marimi electrice ale circuitului folosind teoremele Kirchoff

Se scriu ecuatiile Kirchoff atasate circuitului din figura 5.b si ecuatia TBJ in RAN, rezultand un sistem liniar de ecuatii:

			Sistemul 1

Inlocuind valorile componentelor din figura 5.b in sistemul de mai sus, obtinem:

			Sistemul 2

B)     Calculul PSF si al altor marimi electrice ale circuitului folosind pachetul Design Center Eval

Se ruleaza cu programul PSpice fisierul de intrare poltb.cir corespunzator schemei echivalente din figura 5.b :

Circuit de polarizare pentru un tranzistor bipolar

VCC 2 0 12V

VBE 1 3 0.7V

F 2a 3 VBE 100.0

RB1 2 1 47K

RB2 1 0 8.2K

RC 2 2a 2K

RE 3 0 500

.OP

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(RE)

.END

Rezultatul gasit cu ajutorul programului PSpice este:

**** 01/05/105 12:04:22 ********** Evaluation PSpice (Jan 1993) ** **

Circuit de polarizare pentru un tranzistor bipolar

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VCC 2 0 12V

VBE 1 3 0.7V

F 2a 3 VBE 100.0

RB1 2 1 47K

RB2 1 0 8.2K

RC 2 2a 2K

RE 3 0 500

.OP

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(RE)

.END

**** 01/05/105 12:04:22 ********** Evaluation PSpice (Jan 1993) ** **

Circuit de polarizare pentru un tranzistor bipolar

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG C

VCC I(RC) I(RE)

1.200E+01 1.883E-03 1.902E-03

**** 01/05/105 12:04:22 ********** Evaluation PSpice (Jan 1993) ** **

Circuit de polarizare pentru un tranzistor bipolar

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

1) ( 2) 12.0000 ( 3) .9511 ( 2a) 8.2332

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -2.104E-03

VBE 1.883E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 2.52E-02 WATTS

**** 01/05/105 12:04:22 ********** Evaluation PSpice (Jan 1993) ** **

Circuit de polarizare pentru un tranzistor bipolar

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME F

I-SOURCE 1.883E-03

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .03

OBSERVATIE: rezultatele obtinute folosind ambele metode sunt similare.