Studiul modelului de semnal mical unui tranzistor bipolar

1.Introducere

Tranzistorul este o componentă electronică a cărei rezistenţă electrică poate fi controlată cu ajutorul unui semnal electric numit semnal de comandă. Cea mai importantă menţiune referitoare la această definiţie este faptul că tranzistorul ne permite să controlăm un curent electric mare cu ajutorul unei cantităţi foarte mici de energie electrică. Câteva din cele mai importante clase de circuite electronice analogice în care tranzistoarele sunt utilizate sunt:

amplificatoare de semnal generatoare de semnal (oscilatoare) stabilizatoare de tensiune

Lucrarea işi propune analiza unui etaj de amplificare cu rezistenţă în emitor şi tranzistor bipolar reprezentat.

2.Noţiuni generale

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul este un dispozitiv electronic activ, cu trei zone (terminale) care realizează o amplificare a semnalelor electrice.

Cele trei zone se numesc emitor (E), bază (B), colector (C).Există două tipuri de tranzistoare bipolare:

Din punct de vedere funcţional un tranzistor este in electronică ceea ce un robinet este in instalaţii. Permite inchiderea sau deschiderea unui circuit electric, acest regim numindu-se "in comutaţie", sau parţial, atunci când se foloseşte regimul liniar de functionare.

Tranzistorul se numeşte bipolar deoarece conducţia este realizată de două tipuri de purtători de sarcină electrică, de semn diferit: electronii, respectiv golurile.

Mărimi electrice caracteristice:

Tranzistorul bipolar este caracterizat de 6 marimi electrice: iE (curentul de emitor), iB (curentul de bază), iC (curentul de colector), vBE (tensiunea bază-emitor), vBC (tensiunea bază-colector) vCE (tensiunea colector-emitor).

1

Sensul curenţilor este acelaşi cu sensul săgeţii care indică în simbolul electronic al tranzistorului bipolar, EMITORUL. Referinţele tensiunilor depind de tipul tranzistorului bipolar. Sensul curenţilor, respectiv referinţele tensiunilor sunt prezentate astfel:

Între mărimile electrice ale tranzistorului bipolar există următoarele relaţii generale:

relaţia între curenţii prin terminalele tranzistorului: (1)

relaţia între tensiunile dintre terminalele tranzistorului:

(2)

relaţia între curentul de colector şi tensiunea bază emitor:

(3)

IS - curent de saturaţie;VT - tensiunea termică;

Funcţionarea tranzistorului bipolar

În funcţie de modul de combinare al polarizărilor joncţiunilor bază-emitor şi bază-colector ale unui tranzistor bipolar, pot fi stabilite patru regimuri de funcţionare, după cum urmează:

REGIUNEA ACTIVĂ NORMALĂ (RAN):o condiţia de funcţionare: vBE > 0V şi vBC < 0Vo atunci când jBE este polarizată direct şi jBC este polarizată invers;

REGIUNEA ACTIVĂ INVERSĂ (RAI):o condiţia de funcţionare: vBE < 0V şi vBC > 0Vo atunci când jBE este polarizată invers şi jBC este polarizată direct;

REGIUNEA DE SATURAŢIE (RS):1. condiţia de funcţionare: vBE > 0V şi vBC > 0V2. în această regiune de funcţionare vCE < 0,1V 3. atunci când ambele joncŃiuni ale tranzistorului sunt polarizate direct;

REGIUNEA DE BLOCARE (RB):1. condiţia de funcţionare: vBE < 0V şi vBC < 0V2. în această regiune de funcţionare toţi curenţii tranzistorului sunt zero ;3. atunci când ambele joncŃiuni ale tranzistorului sunt polarizate invers.

3. Modelarea funcţionării tranzistorului bipolar:

2

3.1 Modelarea funcţionării tranzistorului bipolar în RAN

Tranzistorul bipolar este un element de circuit neliniar. Din acest motiv este util să se dezvolte modele liniare, valabile în anumite condiţii precis specificate de funcţionare.

Modelarea funcţionării tranzistorului bipolar în RAN se bazează pe următoarea relaţie între curentul de colector şi cel din bază:

(4)b – factorul de amplificare în curent al tranzistorului

Tranzistorul bipolar generează în colector un curent iC a cărui valoare depinde de curentul de bază iB. Acest comportament poate fi modelat prin intermediul unui generator de curent comandat în curent.

iB depinde exponenţial de tensiunea vBE de aceea între bază şi emitor, un tranzistor bipolar se comportă ca o diodă semiconductoare şi în consecinţă poate fi modelat prin intermediul modelelor diodei.

Astfel, circuitul echivalent care modelează comportamentul tranzistorului bipolar în RAN poate fi inlocuit in analiza circuitelor de circuitul echivalent liniar (figurile a. si b.):

Un tranzistor bipolar care funcţionează în RAN amplifică puternic în curent (iB este crescut de sute de ori şi furnizat ca iC), iar amplificarea este liniară (între iC şi iB este o relaţie liniară).

3.2 Modelarea funcţionării tranzistorului bipolar în variabil de semnal mic

Comportamentul tranzistorului bipolar poate fi considerat ca fiind LINIAR şi în consecinţă poate fi modelat prin intermediul unui circuit LINIAR.

Intre baza si emitor, un tranzistor bipolar se modelează prin intermediul unei rezistenţe de semnal mic, notată rp.

Deoarece iC variază în funcţie de vBE, este util să se determine modul în care se manifestă această variaţie, calculând derivata curentului iC în funcţie de tensiunea vBE pentru cazul în care valoarea curentului de COLECTOR este menţinută la o valoare constantă IC. Valoarea derivatei respective se notează cu gm şi se numeşte panta tranzistorului bipolar:

(5)

3

IC - curentul continuu prin colectorul tranzistoruluiRezistenţa rp se calculează cu ajutorul formulelor:

(6)

VT - tensiunea termică;IB - curentul continuu prin baza tranzistorului.

Pentru frecvenţe mai mici decât aproximativ 1MHz (domeniul frecvenţelor joase şi medii), modelul este caracterizat de circuitul echivalent prezentat în Figura 1. În acest circuit, mărimile electrice Ib, Ie şi Ic reprezintă amplitudinile curenţilor de bază, emitor, respectiv colector, iar Vbe reprezintă amplitudinea tensiunii bază-emitor şi nu trebuie confundată cu tensiunea continuă VBE care, pentru cazul în care tranzistorul bipolar funcţionează în RAN.

Figura 1. Circuitul echivalent ale modelului în regim variabil de semnal mic, pentru frecvenţe joase şi medii.

4. Etaj de amplificare cu rezistenţă în emitor şi tranzistor bipolar NPN.

Să se calculeze punctul static de funcţionare Q (Uc, Ic).Caracteristicile tranzistorului din catalog: β=100, Ube=0.6V, R1=90KΩ, R2=12KΩ, Rc=4,7KΩ, Rc =0.5KΩ, E=10V.

4

5