cap.4 tranzistoare bipolare

CAPITOLUL

Tranzistoare bipolare - caracteristici statice

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+_+

_0.6 V 10 V

10 mA 9.9 mA

0.1 mA

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+_+

_0.62 V 10 V

20 mA 19.8 mA

0.2 mA

4.1. Conexiunea baz` comun` 83

4.2. Conexiunea emitor comun 113

4.1. Conexiunea baz` comun`

1.A. Tranzistoare: structur`, simboluri ]i mod de func\ionare 83

1.B. Caracteristica de intrare 88

1.C. Carcteristicile de transfer 89

1.D. Caracteristica de ie]ire 90

1.E. Satura\ia tranzistorului 93

1.F. Dep`]irea dificult`\ilor conexiunii cu baz` comun` 95

1. G. Surse de curent cu tranzistoare bipolare 97

Probleme rezolvate 102, probleme propuse 106

Lucrare experimental` 108

82 Electronic` - Manualul studentului

0 2 4 6 8 10Valim

IB

50 µ A

IB = 00

2

4

6

8

10

(mA)IC

(V)VCE

rezervor 1

rezervor 2

rezervor 1

rezervor 2

regiunea de saturatierobinetul nu mai controleaza debitul

regiunea activarobinetul controleaza debitul

MN

O

rezervor 1rezervor 2

robinet complet inchisregimul de blocare

4.2. Conexiunea emitor comun

2.A. Configura\ia cu emitor comun 113

2.B. Caracteristica de intrare 117

2.C. Caracteristicile de transfer 118

2.D. Caracteristica de ie]ire 120

2.E. Satura\ia tranzistorului 123

2.F. Date de catalog 126

Probleme rezolvate 131, probleme propuse 135

Lucrare experimental` 137

Cap. 4. Tranzistoare bipolare - caracteristici statice 83

4.1. Conexiunea baz` comun`

1. A. Tranzistoare: structur`, simboluri ]i mod de func\ionre

Am v`zut c` dioda, ac\ion[nd ca ]i supapa [n circuitele [n care circul` fluide, permite curentului s`treac` [ntr-un singur sens, ca un [ntrerup`tor care s-ar deschide ]i [nchide singur, dup` sensul curentului. Unalt dispozitiv esen\ial [n circuitele cu fluide este robinetul, care controleaz` debitul conform unei ac\iuniexterne, mecanice.

Pentru circuitele electrice, o ac\iune asem`n`toare o are releul electromagnetic, care controleaz`trecerea unui curent de intensitate mare, fiiind comandat electric cu un curent mult mai mic. Releulelectromagnetic are dou` propriet`\i care [l fac s` mai fie [nc` utilizat [n unele aplica\ii: curentul de scurgere[n starea "[ntrerupt" este extrem de mic iar rezisten\a [n starea de conduc\ie este infim`. Cu toate acestea, elare dou` dezavantaje majore. n primul r[nd, pentru c` are piese mecanice [n mi]care, este prea lent, neput[ndfi utilizat la frecven\e de peste c[teva sute de Hz. Pe de alt` parte, el nu permite controlul gradual alcurentului ci doar unul de tipul tot sau nimic (on-off. [n limba englez`). Un control gradual [l putem realizacu un rezistor reglabil ('poten\iometru") dar acesta trebuie ac\ionat mecanic.

Primul dispoztiv care putea controla gradual curentul ]i era comandat printr-o tensiune a fost un tubelectronic, trioda. Tuburile erau [ns` mari, grele ]i fragile, ]i aveau nevoie de puteri electrice mari. Din acestmotiv, inventarea tranzistorului [n 1947 de c`tre John Bardeen ]i Walter Brattain de la Bell Laboratories amarcat un pas important [n dezvoltarea electronicii; [n Fig. 4.1 a) pute\i admira primul tranzistor realizat, cucontacte punctiforme. Bazat pe conduc\ia electric` la suprafa\a cristalului ]i pe contacte punctiforme cu firemetalice, acest "tranzistor de tip A" era instabil ]i nu functiona de dou` ori la fel; [n plus curentul controlatera puternic afectat de zgomot. Primul tranzistor utilizabil, cu jonc\iuni(Fig. 4.1 b), este pus la punct [n 1950 ]i [n 1951 laboratoarele Bell [l fac cunoscut public 1. Electronicamodern` putea [ncepe. Ulterior apare posibilitatea integr`rii mai multor tranzistoare [ntr-un circuit integrat ]irevolu\ia tehnologic` schimb` fa\a secolului XX.

a) b)

Fig. 4.1 a) ]i b). Primul tranzistor cu contacte punctiforme ]i primul tranzistor cu jonc\iuni.

Imaginat [nc` din 1948 de c`tre William Shockley, tranzistorul bipolar cu jonc\iuni (prescurtatBJT - Bipolar Junction Transistor [n lb. eng.) este un dispozitiv semiconductor de tip sandwich, a c`ruistructur` fizic` con\ine trei regiuni semiconductore distincte: emitorul, baza ]i colectorul, a]a cum se vede [nFig. 4.1 c) ]i d) Pentru tranzistoarele PNP, emitorul ]i colectorul sunt de tip p, adic` purt`torii majoritari suntgolurile, pe c[nd baza este de tip n, aici purt`torii majoritari fiind electronii. De]i de acela]i tip, emitorul ]i 1 O istorie fascinant` a invent`rii tranzistorului bipolar pute\i g`si la www.pbs.org/transistor/index.html.


colectorul difer` prin concentra\ia de purt`tori majoritari, care este mult mai mare [n emitor. Latranzistoarele NPN tipurile sunt inversate, emitorul ]i colectorul fiind de tip n iar baza de tip p. Elementelecheie [n func\ionarea tranzistorului sunt grosimea mic` a bazei ]i nivelul ei sc`zut de dopare(conductivitate redus`).

c)

PNP

IE IC

IB

E C

B

+-

-+

IE IC

IB+

- +-

NPN

p pnemitor colectorbaza

n npemitor colectorbaza

E C

B

25 µm3.7 mm

25 µm3.7 mm

d)

e)

Fig. 4.1 c), d) ]i e). Tranzistoare bipolare, structur`, simboluri ]i c[teva dintre tipurile de capsule utilizate.

n figur` sunt date ]i simbolurile pentru cele dou` tipuri de tranzistoare.

S`geata arat` care este terminalul emitorului; sensul ei este sensul [n care conduce jonc\iuneaemitor baz`, jonc\iune care controleaz` starea "robinetului"

Primele tranzistoare cu jonc\iuni erau fabricate prin extragerea unui monocristal de tip bar` dintr-otopitur` de germaniu dopat` n; [n timpul extragerii, extrem de lente, regiunea bazei era dopat` p. Au ap`rutapoi alte tehnologii mai perfec\ionate care au [mbun`t`\it performan\ele tranzistoarelor bipolare ob\inute.Ast`zi se realizeaz` o gam` foarte larg` de tranzistoare, pentru diferite aplica\ii: joas` ]i medie frecven\`,[nalt` frecven\`, aplica\ii liniare, aplica\ii de comuta\ie, etc.. n acest manual aten\ia noastr` va fi concentrat`asupra aplica\iilor de joas` ]i medie frecven\`. n acest domeniu, capsulele tranzistoarelor (Fig. 4.1 e) suntdiferite dup` m`rimea curentului maxim pe care [l pot suporta (de la 100 mA la 10 A) ]i dup` puterea termic`pe care o pot disipa (de la 300 mW la 110 W)

Deocamdat` ne vom focaliza aten\ia numai asupra tranzistoarelor NPN; dup` ce vom [ntelegebine cum func\ioneaz` acestea, c[nd va trebui s` utiliz`m tranzistoare PNP nu va trebui dec[t s` invers`msensurile tuturor tensiunilor ]i curen\ilor. De]i primul material semiconductor utilizat [n construc\ia


tranzistoarelor a fost germaniul, datorit` puternicei lor sensibilit`\i termice aceste tranzistoare au fost[nlocuite complet de tranzistoarele cu siliciu; din acest motiv

vom aborda [n cele ce urmeaz` numai tranzistoarele cu siliciu,

chiar dac` nu vom men\iona de fiecare dat` acest lucru explicit.

h)

E

B

C

⇔

E

B

C

+

_ +_0.6 V10 V +

_0.6 V 10 V⇔

E

B

C

g)

E C

B

circuit extern

circuit extern ⇔

E

B

C

circuit extern

E

B

C

circuit extern

+_

f)

Fig. 4.1 f), g) ]i h). Tranzistoare bipolare: echivalen\a cu dou` diode dac` numai una din jonc\iuni estepolarizat` (e, f) ]i absen\a acestei echivalen\e c[nd ambele jonc\iuni sunt polarizate (g).

Tranzistorul are dou` jonc\iuni semiconductoare, una emitor-baz` ]i cealalt` baz`-colector. Dac`le investig`m separat (al treilea terminal fiind l`sat [n gol), ele se comport` ca ni]te diode, a]a cum se poateobserva [n Fig. 4.1 f) ]i g). La tranzistoarele de putere mic`, jonc\iunea emitor baz` are tensiunea invers` destr`pungere cobor[t` [n jur de 6 V; din acest motiv e bine s` privim aceast` jonc\iune ca o diod` Zener a]acum am figurat ]i noi [n aceste desene. Efectul de tranzistor apare atunci c[nd polariz`m ambele jonc\iuni:cea emitor baz` [n sens direct iar cea colector baz` [n sens invers: datorit` grosimii mici a bazei, cele dou`jonc\iuni nu func\ioneaz` independent, a]a cum ar fi f`cut-o dou` diode legate [ntre ele prin conductoare(Fig. 4.1 h).

Aten\ie, acesta este un experiment imaginar ]i l-am construit c[t mai simplu posibil; dac` [l[ncerca\i [n practic` ]i tensiunea sursei care polarizeaz` jonc\iunea baz`-emitor cre]te accidental cunumai 0.180 V, curentul de emitor va cre]te de 1000 de ori ]i jonc\iunea va fi pulverizat`. n circuitelepractice se utilizeaz` todeauna o rezisten\` legat` [n serie, pentru limitarea curentului prin jonc\iune.


S` vedem [n ce const` efectul de tranzistor. Dac` dorim ca tranzistorul s` func\ioneze ca un robinetcontrolat, cele dou` jonc\iuni trebuie polarizate [ntr-un anumit mod: jonc\iunea emitor baz`, care va controlarobinetul, trebuie s` fie direct polarizat` (deschis`) iar jonc\iunea colector baz` trebuie s` fie inverspolarizat`.

Regimul de lucru al tranzistorului cu jonc\iunea emitor baz` deschis` iar jonc\iunea colector baz` inverspolarizat` este denumit regim activ normal.

c)

a)

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+_+

_0.6 V 10 V

10 mA 9.9 mA

0.1 mA

IE = 0

+_

ICB0 0≅

10 VIB

ICIE = 0

+_

0.6 V

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+_+

_0.62 V 10 V

20 mA 19.8 mA

0.2 mA

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+_+

_0.6 V 10 V

10 mA 9.9 mA

0.1 mA

IB

ICIE ≅ IE

foarte mic+

_0.6 V

10 mA 9.9 mA

0.1 mA

e)

b)

d)

f)

Fig. 4.2. Efectul de tranzistor.

Polariz`m mai [nt[i jonc\iunile, separat, pe r[nd; a]a cum am spus, [n aces caz, tranzistorul secomport` ca un ansamblu de dou` diode montate "spate la spate". Jonc\iunea emitor-baz` se deschide ]i [ntreemitor ]i baz` circul` un curent de ordinul de ordinul mA - zeci de mA (Fig. 4.2 a). Dependen\a curentului detensiune este una exponen\ial`


I eE

VmV

EB

T≈ −F

HGG

I

KJJ1 ; (4.1)

cu m apropiat de valoarea 2, ca la o diod` cu siliciu. n ceea ce prive]te jonc\iunea colector baz` (desenul b),aceasta este invers polarizat` (am desenat l[ng` simbol dioda echivalent` pentru ca acest lucru s` fie evident)]i curentul de colector (notat cu ICB0 pentru a ar`ta c` emitorul este "[n gol") este practic nul.

Aplic`m apoi simultan sursele de tensiune, ca [n desenul c) al figurii, ]i, surpriz`, curentul deemitor, [n loc s` circule prin terminalul bazei, circul` practic integral prin terminalul colectorului, de]ijonc\iunea colector baz` este invers polarizat`.

Aplicarea atent` a legii curen\ilor arat` c`, de]i curentul de baz` este foarte mic, la cealalt` born`a sursei de 0.6 V curentul este egal cu IE , la fel ca la borna legat` [n emitor. Pentru a nu complica desenul,

s`ge\ile "groase", care sugereaz` m`rimea curen\ilor, au fost desenate numai la terminalele tranzistorului.

Dac` modific`m polarizarea jonc\iunii emitor baz`, deschiz[nd-o mai mult (desenul d), curen\ii deemitor ]i colector, r`m[n[nd [n continuare practic egali [ntre ei, cresc. Spre deosebire de circuitul cu dou`diode,

[n tranzistor, curentul de colector este controlat de tensiunea aplicat` pe jonc\iunea emitor baz`.

Acest efect este datorat grosimii mici a bazei, mult mai mic` dec[t lungimea de difuzie a electronilor, ]idop`rii sale slabe; astfel, la str`baterea acesteia, electronii injecta\i din emitor au foarte pu\ine ]anse s`[nt[lneasc` goluri ]i s` se recombine cu ele.

Mai mult, la tranzistoarele de putere mic` (sute de mW), curentul de baz` este de sute de ori maimic dec[t ceilal\i ]i

curentul de colector este practic egal cu cel de emitor, curentul de baz` fiind mult mai micdec[t ace]tia.

Chiar ]i la tranzistoarele de putere mare curentul de baz` este foarte mic, de 20 -50 ori mai mic dec[t ceilal\idoi ]i afirma\ia anterioar` r`m[ne valabil`.

Pentru IE = 0, rezult`, conform afirma\iei anterioare c` ]i curentul ar trebui s` fie nul. La

polarizarea invers` a jonc\iunii colector baz` cu cel pu\in c[teva zecimi de volt, acest lucru nu este perfectexact pentru c` jonc\iunea colector-baz` fiind invers polarizat`, vom avea [n colector curentul invers ICB0 al

jonc\iunii. Rela\ia ce leag` curen\ii de colector ]i emitor se scrie

I I IC E CB0= +α (4.2)

unde constanta α se nume]te amplificare [n curent ([n conexiunea baz` comn`) ]i are valori foarte apropiatede unitate (fiind [mpr`]tiat` de la exemplar la exemplar ]i dup` tipul tranzistorului aproximativ [ntre 0.95 ]i0.998).

Pentru tranzistoarele cu germaniu, curentul ICB0 nu putea fi neglijat, mai ales c[nd temperatura

tranzistorului cre]tea, ]i din aceast` cauz` aceste tranzistoare nu se mai utilizeaz`. n schimb, pentrutranzistoarele cu siliciu, curentul invers al jonc\iunii colector-baz` este de aproape 1000 de ori mai mic dec[tla cele cu germaniu. Putem, astfel, s` uit`m complet de el. Ni-l vom aminti doar atunci c[nd vom studiaefectul modific`rii temperaturii asupra caracteristicilor tranzistoarelor. i vom trage concluzia c` nu el estevinovatul principal.


i aceasta nu e tot. Revenim la polarizarea ini\ial` a jonc\iunii emitor-baz` (desenul e) ]i modific`macum valoarea tensiunii care polarizeaz` invers jonc\iunea colector-baz`, cobor[nd-o chiar la zero, cu unscurtcircuit [ntre colector ]i baz` (desenul f). Curentul de colector r`m[ne insensibil la manevra noastr` !

n regiunea activ` normal`, curentul de colector este practic independent de tensiunea colectorbaz`.

Scopul circuitelor electronice este, [n majoritatea cazurilor, prelucrarea semnalelor (informa\iei).Exist` o pereche de borne de intrare, numit` port de intrare, [ntre care se aplic` o tensiune variabil` dinexterior. La o alt` pereche ce borne, numit` port de ie]ire este legat un consumator de energie pe post desarcin` (eventual un alt circuit). Rolul circuitului este ca starea portului de ie]ire (tensiunea ]i curentul deie]ire) s` fie controlat` de starea portului de intrare, dup` o anumit` rela\ie func\ional`. Pe de alt` parte, ne-arconveni ca starea portului de intrare s` fie influen\at` c[t mai pu\in de cea a portului de ie]ire.

Tranzistorul are numai trei terminale; astfel, unul dintre ele va trebui s` fie comun at[t portului deintrare c[t ]i celui de ie]ire. n configura\ia [n care am investigat noi comportarea tranzistorului, baza eraterminalul comun celor dou` porturi; am utilizat, deci, o configura\ie cu baza comun`.

n conexiunea cu baz` comun`, portul de intrare este [ntre emitor ]i baz` iar portul de ie]ire este[ntre colector ]i baz`, baza fiind astfel comun` celor dou` porturi.

Aceast` conexiune permite explicarea mai comod` a func\ion`rii tranzistorului pentru c` cele dou`surse de tensiune controleaz` separat tensiunile pe cele dou` jonc\iuni. n plus, conexiunea ofer` anumiteavantaje [n c[teva tipuri de aplica\ii.

Func\ionarea [n regim static a unui dipol poate fi descris` prin dependen\a func\ional` curent-tensiune, numit` caracteristic` static`. Starea unui dispozitiv care are un port de intrare ]i unul de ie]ire, cumeste tranzistorul, este determinat`, [ns`, de patru variabile, care sunt curen\ii ]i, respectiv, tensiunile lafiecare din porturi. Vom avea nevoie, deci, de mai multe tipuri caracteristici:

- caracteristica de intrare (dependen\a curent-tensiune la portul de intrare)- caracteristica de ie]ire (dependen\a curent-tensiune la portul de ie]ire)- caracteristici de transfer, care leag` o m`rime de la ie]ire (curent sau tensiune) de o m`rime de la

intrare. Dac` dorim s` [n\elegem cum se comport` tranzistorul [n circuitele [n care este utilizat, va trebui s`vedem cum arat` caracteristicile sale statice.

1. B. Caracteristica de intrare

Prin caracteristic` de intrare [n\elegem dependen\a curent-tensiune de la portul de intrare, adic` IE[n func\ie de VEB . De]i baza tranzistorului este ]i ea legat` la portul de intrare, curentul de baz` nu este

curent de intrare deoarece, a]a cum am subliniat anterior, la ambele borne ale sursei de tensiune carerealizeaz` controlul curentul are valoarea IE . Pentru a nu complica discu\ia, vom [n\elege aici, prin tensiuneaVEB , m`rimea (f`r` semn) a tensiunii de polarizare a jonc\iunii emitor baz`; cu alte cuvinte, nu vom mai l`sa

[n seama caracteristicii de intrare s` ne aminteasc` polaritatea necesar` pentru a ne situa [n regiunea activ`normal`. Acela]i lucru [l aplic`m ]i pentru curentul de intrare. Aceast` abordare are avantajul c` formacaracteristicii arat` la fel ]i pentru tranzistoarele PNP.

Caracteristica de intrare trebuie trasat` la anumite condi\ii constante la portul de ie]ire. Cum ICeste practic egal cu IE , nu pe el [l putem p`stra constant; nu avem de ales, va trebui s` p`str`m constant`


tensiunea de ie]ire VCB . n aceste condi\ii, caracteristica de intrare I f VE EB VCB= =( )

.cons este una

exponen\ial`,

I I eE

VVEB

T= 0 (4.3)

tensiunea de deschidere fiind, pentru tranzistoarele bipolare cu siliciu, [n jur de 0.6 V. C[nd curentului decolector i se ofer` o cale pe care s` circule (colectorul nu este [n gol) parametrul m este unitar deoarece bazaeste foarte sub\ire ]i recombin`rile au loc exclusiv [n regiunea neutr` a colectorului. Din acest motivnumitorul de la exponen\ial` este exact VT ]i curentul de emitor se multiplic` cu 10 la fiecare cre]tere cu 60

mV a tensiunii emitor-baz`, ca la o diod` cu germaniu.La portul de intrare, tranzistorul nu se comport` ca un rezistor, caracteristica sa fiind neliniar` ]i

similar` cu aceea a unei diode. Pentru a caracteriza efectul unei mici varia\ii a tensiunii VEB , introducem

rezisten\a dinamic`, ce caracterizeaz` local caracteristica (depinde de punnctul unde se calculeaz`)

r V Ieb EB E= d d ; (4.4)

Din rela\ia (4.3) rezult` c` ea are expresia

r V Ieb T E= (4.5)

fiind invers propor\ional` cu valoarea curentului. Astfel, la 1 mA ea este de 25 Ω, pe c[nd la 10 mA coboar`la 2.5 Ω.

Depinde caracteristica de intrare de tensiunea de la portul de ie]ire ?n mod ideal, ar trebui ca starea portului de ie]ire s` nu afecteze starea portului de intrare de unde se

face controlul dispozitivului. Pentru tranzistorul bipolar, acest lucru este aproximativ adev`rat. Cu toateacestea, o analiz` mai atent` poate constatamodificarea caracteristicii de intrare, dac` seschimb` valoarea tensiunii VCB colector-baza la

care este ea trasat`. Acest efect, numit efect Early,se pune [n eviden\` mai comod pe o scar`logaritmic` pentru curent (Fig. 4.3) . Astfel, dac`VCB se modific` de la 0 la 10V, caracteristica de

intrare este pur ]i simplu translatat` [n sus. Aceasta[nseamn` c` putem descrie efectul fie la VEBconstant, prin [nmul\irea curentului de emitor cu unfactor de aproximativ 1.1 (cre]tere de 10 %), fie laIE constant, fiind necesar` acum o tensiune VEBcu aproximativ 2 mV mai mic`. Cele mai multetexte prefer` a doua variant`, afirm[nd c` lacre]terea tensiunii colector-baz` scade tensiuneaemitor baz`, factorul ∆ ∆V VEB CB fiind [n

valoare absolut` de ordinul a 10-4 (de cele mai multe ori informa\ia c` aceasta se [nt[mpl` dac` p`str`mconstant curentul IE este omis`, produc[nd confuzie pentru [ncep`tori).

0.50 0.55 0.600.01

0.10

1.00 curent de emitor (mA)

tensiune emitor-baza (volti)

VCB = 0 V

VCB = -10 V

Fig. 4.3. Modificarea caracteristicii de intrare lavaria\ia tensiunii colector baz`.


Observa\ie: Pentru diferite valori constante ale tensiunii de ie]ire VCB se ob\in curbe diferiteI f VE EB= ( ); acest ansamblu de curbe este numit de multe ori "familia caracteristicilor" de intrare. Noi

vom continua s` utiliz`m [ns` o terminologie mai simpl`, vorbind despre caracteristica de intrare ]iinfluen\area sa de c`tre parametrul VCB . Acest lucru va fi valabil ]i pentru celelalte tipuri de caracteristici.

1.C. Caracteristicile de transfer

M`rimea de ie]ire care este controlat` prin starea portului de intrare este curentul de colector.Putem considera, cu egal` [ndrept`\ire, c` el este controlat fie de curentul de emitor (curentul de la portul deintrare), fie de tensiunea emitor-baz` (tensiunea de la portul de intrare). n ambele cazuri, parametrul caretrebuie men\inut constant este tensiunea colector baz`.

A]a cum am spus, la tranzistoarele cu siliciu curentul rezidual de colector este neglijabil ]i avem[ndeplinit` rela\ia (4.2)

I IC E= α .

Cum α ≅ 1, caracteristica de transfer I f IC E VCB= =( )

cons. este o linie dreapt`, practic identic` cu prima

bisectoare. La modificarea tensiunii VCB , factorul de amplificare α se modific` extrem de pu\in, cresc[nd

cam cu 10 4− vol.

Consider[nd c` tensiunea emitor baz` controleaz` curentul de colector, caracteristica de transferI f VC EB VCB

= =( )cons.

este descris` de rela\ia

I I eC s

VVEB

T= ; (4.6)

dac` privim tranzistorul ca un robinet controlat de tensiune, func\ionarea sa este foarte neliniar`. Pentrutensiuni p[n` la 0.6 V curentul este nesemnificativ, pentru ca apoi cre]terea s` fie exploziv`. Avem, de fapt,aceea]i comportare de la dioda cu germaniu:

dublare a curentului la fiecare cre]tere cu 18 mV ]i multiplicare cu 10 la fiecare cre]tere de 60 mV.

Pentru a caracteriza sensibilitatea controlului se define]te un parametru dinamic, numittransconductan\` dinamic`

g d IdVm

C

EB= ; (4.7)

se poate ar`ta imediat c`

g IVm

C

T= (4.8)


unde IC este valoarea [n jurul c`reia s-a calculat transconductan\a iar VT este poten\ialul termic (25 mV la

temperatura camerei).

1.D. Caracteristica de ie]ire

P`strind constant` intensitatea curentului de emitor, caracteristica de ie]ire I f VC CB= ( ) are forma

din Fig. 4.4 a), adic` o dreapt` orizontal`. Ecua\ia care descrie caracteristica este I IC E= α ]i cum IE este

constant....C[t de constant este, [ns`, factorul α la varia\ia tensiunii colector baz` ? El variaz` cam cu 10-4

pe volt ]i cum noi am produs o varia\ie de 10 V, curentul de colector a crescut cam cu o miime din valoarelui, cre]tere insesizabil` cu un aparat de m`sur` analogic (cu ac indicator) ]i la fel de insesizabil` pe graficulnostru).

Tranzistorul se comport` la portul de ie]ire ca o surs` de curent aproape ideal`, a]a cum este ar`tat[n desenul c) al figurii. La o valoare a curentului de 1 mA, rezisten\a ei echivalent` este de ordinul a

10VI 10

10V1mA 10

M-3 -3E ⋅

=⋅

= 10 Ω . Cum la aceea]i modificare a tensiunii colector-baz` varia\ia curentului

este propor\ional` cu valoarea sa ini\ial`, valoarea rezisten\ei este invers propor\ional` cu valoareacurentului de emitor.

IC(0)

C

B

IC

V CB

V CB (V)

IC (mA)

0 2 4 6 8 100123456

IC(0)

rcb =∆∆

V CB

IC

V CB (V)

IC (mA)

0 2 4 6 8 100123456

a)

IE = constant = 5 mAV EB = constant

b)

c) rcb

+

-

Fig. 4.4. Caracteristica de ie]ire ]i modelarea portului de ie]ire.

Ce s-ar fi [nt[mplat dac` ne-am fi hot`r[t s` p`str`m, la portul de intrare, tensiunea emitor-baz`constant` [n locul curentului de emitor ? De data aceasta, [n expresia I IC E= α , s-ar fi modificat ]i α ]i

valoarea IE a curentului de emitor iar caracteristica de ie]ire ar fi ar`tat ca [n Fig. 4.4 b), curentul de colector


modific[ndu-se aproximativ cu o zecime din valoarea sa atunci c[nd tensiunea colector baz` variaz` de la zerola 10 V. C[nd am discutat modificarea caracteristicii de intrare la varia\ia tensiunii de ie]ire am remarcat pegraficul din Fig . 4.3 o varia\ie a curentului de emitor de 10%. Cum α variaz` extrem de pu\in, aceasta esteacum cauza principal` a varia\iei curentului de colector. Acum portul de ie]ire nu mai este a]a de aproape deo surs` ideal` de curent: rezisten\a sa dinamic`, calculat` tot la un curent de 1 mA este [n jur de

10V

1mA 10k-1⋅

= 100 Ω , performan\` ce este de 100 de ori mai modest` dec[t [n cazul [n care men\ineam IE

constant.

Cine p`streaz` constant curentul de emitor [n circuitele practice ?

IB

ICIE

+_+

_E

a)

R E

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.00

1

2

3

4

5

6

7

curentul de emitor (mA)

tensiunea emitor-baza (volti)

E

panta = -1

REVCB

b)

2 mV

noul PSF

dreapta de sarcina

c)

M

N

+-

0.1 C(0)

I

C(0)

I

Fig. 4.5. Modificarea PSF de la intrare la varia\ia tensiunii colectr-baz` [n cazul unui circuitpractic.

n circuitele practice nu se p`streaz` nici tensiunea VEB constant` (nu ne convine pentru c`performan\ele sunt modeste) ]i nici IE (ne-ar trebui o surs` ideal` de curent, or tocmai asta vrem s` realiz`m

cu tranzistorul nostru). Jonc\iunea emitor baz` este polarizat` cu un circuit care con\ine o surs` de tensiune E]i un rezistor cu rezisten\a RE , ca [n Fig. 4.5 a). Punctul de func\ionare (curentul de emitor ]i tensiunea

emitor baz`) se g`se]te la intersec\ia caracteristicii cu dreapta de sarcin`, care are panta∆ ∆I V RE EB E= −1 , a]a cum se vede [n Fig. 4.5 b).

Metoda dreptei de sarcin` a fost descris` pe larg [n Cap. 3 la pag. 66.

Pentru a urm`ri cum se modific` acest punct de func\ionare (PSF) la schimbarea tensiunii colector-baz`, cele mai comode sunt coordonatele liniare (desenul c al figurii). S` presupunem c` la VCB = 0 punctul


de func\ionare se g`se]te la ICB( )0 . La cre]terea tensiunii colector baz` la valoarea de 10 V, avem o nou`

caracteristic` de intrare: cunoa]tem dou` puncte de pe aceasta, punctul M la 2 mV la st[nga pe orizontal` ]i

punctul M cu o zecime din ICB( )0 mai sus, pe vertical` ca [n desenul c) al figurii.

Este evident din figur` c` tensiunea emitor baz`-emitor scade cu mai pu\in de 2 mV. Din acestmotiv ve\i [nt[lni [n multe texte afirma\ia c` "tensiunea emitor baz` scade cu 2 mV..."; aceasta trebuie[n\eleas` [n sensul cazului cel mai defavorabil: "tensiunea scade cu cel mult 2 mV..." Putem deduce imediatc` valoarea curentului de emitor cre]te cu mai pu\in de 2mV RE . Dac` pe rezisten\a RE am fi acceptat s`

pierdem o tensiune I R UE E RE( )0 = , varia\ia relativ` a curentului de emitor ∆ I IE E

( )0 ar fi mai mic` dec[t

2mV

U RE. Cu o c`dere de tensiune de 2 V pe rezisten\a din emitor (ceea ce nu constituie o problem`), curentul

de emitor cre]te la varia\ia cu 10 V a tensiunii colector baz` cu numai o miime din valoarea sa; efectul estede aceea]i m`rime cu cel produs de varia\ia factorului α .

n concluzie, la o varia\ie de 10 V a tensiunii colector baz`, curentul de colector cre]te cu0.2 - 0.5 %. Aceasta este performan\a pe care ne-o poate oferi sursa de curent realizat` cu circuitul simplu dinFig. 4.5 a). Dac` o exprim`m [n termeni de rezisten\` dinamic` a portului de colector, la un curent de 1 mA,ob\inem o valoare [n jur de 2 - 5 MΩ.

Rezisten\a dinamic` ob\inut` va fi, [ns`, invers propor\ional` cu valoarea curentului.

1.E. Satura\ia tranzistorului

Ce condi\ie trebuie s` respect`m pentru caportul colector-baz` s` se comporte ca o surs` decurent ? Din Fig. 4.4 a) rezult` c` dac` tensiuneacolector baz` este mai mare ca zero, totul este [nregul`. Aceast` tensiune nu poate dep`]i o anumit`valoare maxim`, peste care jonc\iunea colector-baz`se str`punge invers. Dar dac` polaritatea tensiunii VCBse schimb` ? Jonc\iunea colector baz` devine directpolarizat` ]i, dup` dep`]irea tensiunii de deschidere,prin ea [ncepe s` treac` un curent din ce [n ce maimare, care are sensul invers celui determinat decurentul de emitor. Astfel, curentul total de colector[ncepe s` scad` (Fig. 4.6), ajunge la zero, schimb`sensul ]i cre]te [n continuare puternic ([n valoareabsolut`), deoarece devine dominant curentul deconduc\ie direct` al jonc\iunii colector-baz`.

n regiunea [n care jonc\iunea colector-baz` este deschis`, numit` regiune de satura\ie, rela\ia I IC E= α[nceteaz` s` mai fie respectat` ]i curentul de colector nu mai este controlat de portul de intrare.

Pentru ca tranzistorul s` se comporte sigur ca o surs` de curent, tensiunea VCB trebuie s` fie cuprins` [ntre

valoarea zero ]i valoarea VCB max specificat` de fabricant. Aceasta este complian\a de tensiune a sursei de

curent realizat` cu tranzistorul nostru.

V CB (V)

IC (mA)

-0.2-0.8 -0.6 -0.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-1

0

1

IE = 1 mA

jonctiunea colector-bazapolarizata direct

jonctiunea colector-bazapolarizata invers

Fig. 4.6. Caracteristica de ie]ie la inversareapolarit`\ii tensiunii colecor baz`.


Utilizarea unei surse de curent nu se face, [ns`, prin cuplarea direct` la bornele sale a unei surse detensiune ci prin intercalarea unei sarcini care s` beneficieze de curentul constant al sursei de curent, ca [nFig. 4.7 a). n general, parametrul care se modific` este valoarea rezisten\ei de sarcin` ]i vom analiza evolu\iapunctului de func\ionare prin metoda dreptei de sarcin`.

a)

I0IE

+_+

_

R E

sarcina Rs

E E EC

V CB (V)

IC (mA) R s = 0R s = E C I0

R s > E C I0

R s = ∞

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.80

1.2 1.6 2.0

MN

O

EC

I0

b)

-

Fig. 4.7. Efectul modific`rii rezisten\ei de sarcin` cuplat` la sursa de curent.

La polarizare invers` a jonc\iunii colector baz`, portul colector-baz` se comport` ca o surs` decurent de valoare I0. Pe de alt` parte, intersec\ia cu axele ale dreptei de sarcin` sunt situate la EC ]i E RC s.

Dac` sarcina este un scurtcircuit (Rs = 0), dreapta este vertical` ]i punctul de func\ionare este [n pozi\ia M,

[n regiunea unde portul colector-baz` se comport` ca o surs` de curent. Pe m`sur` ce rezisten\a de sarcin`cre]te, punctul de func\ionare se deplaseaz` spre st[nga pe caracteristica de ie]ire a tranzistorului. Atunci c[ndR E Is C= 0 , toat` tensiunea sursei EC cade pe rezisten\a de sarcin` ]i tensiunea colector-baz` ajunge la

valoarea zero (punctul de func\ionare N); aici, [nc` portul de ie]ire se comport` ca o surs` de curent.Cre]terea rezisten\ei de sarcin` peste valoarea R E Is C= 0 duce, [ns`, la schimbarea polarit`\ii

tensiunii colector-baz` de]i sursa de alimentare nu ]i-a modificat polaritatea (punctul O pe figur`).Jonc\iunea colector baz` [ncepe s` devin` direct polarizat` ]i apoi se deschide.

Regimul de func\ionare al tranzistorului cu ambele jonc\iuni deschise se nume]te regim desatura\ie ; [n acest regim circuitul [nceteaz` s` se mai comporte ca o surs` de curent.

Cum structura tranzistorului este simetric`, emitorul ]i colectorul av[nd acela]i tip de dopare iar ambelejonc\iuni sunt deschise,

[n regimul de satura\ie poten\ialele colectorului ]i emitorului devin practic egale.

La cre]terea [n continuare a rezisten\ei de sarcin`, punctul de func\ionare se deplaseaz` [n jos,ajung[nd la limita Rs = ∞ (circuit [ntreupt [n colector) la valoarea IC = 0, a]a cum era de a]teptat. Trebuie

men\ionat c` [n regiunea de saturatie curenntul de colector [nceteaz` s` mai fie controlat de curentul deemitor.

n concluzie,


pentru ca tranzistorul s` se comporte ca surs` de curent, rezisten\a de sarcin` din colector trebuie s` aib`valoarea [ntre zero (scurtcircuit) ]i R E Is C= 0 .

1.F. Dep`]irea dificult`\ilor conexiunii baz` comun`

Am v`zut c` efectul fundamental al tranzistorului este controlul curentului de colector (independentde tensiunea colector baz`) de c`tre curentul de emitor. Caracteristica de transfer I f VC EB VCB

= =( )cons.

este una exponen\ial` ]i, pentru a putea face acest lucru, jonc\iunea baz`-emitor trebuie, mai [nt[i, deschis`prin aplicarea unei tensiuni [n jur de 0.6 V; aceasta stabile]te un curent de repaus (quiescent [n lb. englez`).Opera\ia este numit` polarizare (bias [n lb. englez`). Peste regimul de repaus se adun`, apoi, mici varia\iiprovocate de o surs` de semnal (de exemplu, un microfon) care modific` pu\in tensiunea emitor-baz`∆ ∆V r IEB be E= ⋅ , a]a cum se observ` [n Fig. 4.8. Modificarea curentului de colector∆ ∆I IC E= provoac`,datorit` valorii mari a rezisten\ei RC (mult mai mari dec[t a rezisten\ei dinamice reb egal` cu c[teva zeci de

Ω), varia\ii ale tensiunii de colector de sute de ori mai ample dec[t ale tensiunii de intrare.

IB

IE IC ≅ IE

+_

+_

0.6 V

30 V~ Vs

+5 mV

-5 mV

0

VsRC 10 k Ω

15 V

VC

3 V

Fig. 4.8. Amplificarea varia\iilor tensiunii de intrare.

Tranzistorul este, f`r` [ndoial` un consumator de energie. Cu toate acestea, dac` lu`m [nconsidera\ie numai varia\iile, acestea au la ie]ire o putere electric` mai mare dec[t cea de la intrare; diferen\aeste, desigur, furnizat` de sursa de alimentare din colector, tranzistorul control[nd numai modul [n careaceast` energie este furnizat` sarcinii. Pentru c` reu]e]te s` "amplifice" puterea semnalului variabil,tranzistorul este considerat [n electronic` un element activ de circuit. Nu trebuie s` uit`m, [ns`, c` acestlucru este aparent ]i valabil numai pentru varia\ii.

Circuitul din Fig. 4.8 prezint`, [ns`, inconveniente majore, ce afecteaz` at[t sursa de tensiunecontinu` necesar` pentru polarizare c[t ]i sursa de semnal. n ceea ce prive]te polarizarea, cele dou` surse detensiune continu` au polarit`\i opuse fa\` de borna lor comun` ]i va trebui obligatoriu s` construim dou`surse de alimentare diferite. Aceast` variant` este complet neeconomic` ]i este evitat` prin deplasareasursei de polarizare l[ng` terminalul bazei, ca [n Fig. 4.9 a). Pentru a p`stra 25 V [ntre colector ]i baz`,cre]tem cu 0.6V tensiunea sursei din ochiul colectorului. Aceasta dac` suntem exagerat de scrupulo]i; putemla fel de bine s` nu o facem deoarece ]tim c` o varia\ie de 0.6 V a tensiunii colector baz` nu afecteaz` practicfunc\ionarea tranzistorului. n acest mod, am reu]it s` facem ca ambele surse de tensiune continu` s` fielegate cu borna negativ` la mas`; putem s` construim o singur` surs` de alimentare de 25 V, iar tensiunea de


0.6 V s` o realiz`m cu un divizor rezistiv, ca [n desenul b) al figurii. Mai mult, acum curentul care str`batesursa este curentul de baz`. Merit` s` exprim`m valoarea acestuia

I I I I IB E C E C= − = − ≅ −( ) ( )1 1α α ; (4.9)

cum α este foarte aproape de unitate, factorul ( )1− α are valori sub 1100. n consecin\`, sursa de polarizare

va trebui s` debiteze un curent sub o zecime de mA, u]ur[nd astfel realizarea divizorului rezistiv. Aceastaeste [ntodeauna solu\ia aleas` [n circuitele practice.

IB

IE IC ≅ IE

foarte mic +_

0.6 V25.6 V+

_

a)

IB

IE IC ≅ IE

+_

0.6 V

25 V~ Vs

polarizare

semnal

c)

IB

IE IC ≅ IE

+_0.6 V

25 V+_

polarizare

semnal

d)

IB

IE IC ≅ IE

+_

0.6 V

25 V

-

+

0.1 mA1 mA

RC

R1

R2

b)

~ Vs

+_

Fig. 4.9.

S` ne ocup`m acum ]i de sursa de semnal, care produce varia\ia curentului de colector. Pe circuitulcu baz` comun` (Fig. 4.8) sursa de semnal trebuie s` debiteze curen\i ∆ ∆I IE C= egali cu cei pe care [i

controleaz`. Cu alte cuvinte, dac` dorim s` control`m curentul de [nc`lzire de 10 A al unui cuptor, va trebuis` avem o surs` de semnal capabil s` vehiculeze ]i ea 10 A. Cam nepl`cut, nu ? Rezolvarea dificult`\ii seface deplas[nd ]i sursa de semnal l[ng` terminalul bazei, ca [n Fig. 4.9 c). Curentul de intrare este acumcurentul de baz`, curentul cerut de la sursa de semnal fiind de o sut` de ori mai mic dec[t [nainte. Putemacum controla curentul de 10 A ai cuptorului cu un curent de numai 0.1 A; [l putem ob\ine chiar ]i de la obaterie de lantern`.

n noua configura\ie, [n care emitorul este comun, curentul de colector este controlat de curentulde baz`. Dependen\a se ob\ine simplu, din legea curen\ilor ]i I IC E= α


I I IC B B=−

=α

αβ

1. (4.10)

Deoarece aceast` conexiune este de departe cea mai utilizat`, factorul β , numit factor de amplificare [n

curent [n conexiunea emitor comun, este parametrul interesant [n aplica\ii.Exist`, [ns`, aplica\ii unde conexiunea cu baz` comun` ofer` anumite avantaje. n aceste cazuri,

de]i sursa de polarizare s-a deplasat l[ng` terminalul bazei, sursa de semnal r`m[ne [n ochiul emitorului (Fig.4.10 d).

1.G. Surse de curent cu tranzistoare bipolare

IB

ICIE

+_+

_

a)

R E

IB

ICIE

+_

R E

sarcina sarcina

EE

EE

EC EC

b)

+_

Fig. 4.10 a) ]i b). Sursa de curent cu tranzistor NPN.

Am v`zut c` dac` polariz`m jonc\iunea emitor-baz` trec[nd curentul de emitor printr-un rezistor pecare pierdem c[\iva vol\i, portul de ie]ire dintre colecor ]i baz` se comport` ca o surs` de curent cu rezisten\aechivalent` de ordinul MΩ. S` relu`m schema circuitului, ca [n Fig. 4.10 a) unde am desenat ]i o sarcin`,care nu este neap`rat liniar` ]i care se poate modifica [n timp. Circuitul prezint` un inconvenient pe caretocmai l-am discutat: cele dou` surse au polarit`\i diferite fa\` de borna comun` (baza). Utiliz`m truculprezentat acolo, deplas[nd una din surse de-a lungul ochiului de circuit, ca [n desenul b) al figurii. Realiz`mapoi aceast` surs` cu un divizor rezistiv (Fig. 4.10 c). Nu mai r`m[ne dec[t s` redesen`m schema mai elegant,cu linia de poten\ial ridicat [n partea de sus a figurii, s` alegem ca nod de mas` borna negativ` a sursei dealimentare ]i, [n final, s` renun\`m la desenarea explicit` a sursei de alimentare, trec[nd doar valoarea ei.Ceea ce am ob\inut (desenul d) este configura\ia tipic` [n care ve\i g`si [n scheme sursa de curent cutranzistor NPN.

Va trebui s` [nv`ta\i s` o desena\i [n aceast` form` ]i s` [n\elege\i func\ionarea sa [n aceast`form`. Aceasta este extrem de simpl`: curentul de baz` fiind foarte mic, divizorul format din rezistoarele R1]i R2 este practic ne[nc`rcat ]i men\ine constant` tensiunea notat` pe schem` cu U 2. Cum ]i tensiunea

emitor baz` este practic constant`, rezult` c` tensiunea pe rezistorul din emitor este constant`, deci curentulde emitorul este men\inut constant. n final nu trebuie dec[t s` v` aminti\i c` valoarea curentului de colectoreste practic egal` cu aceea a curentului de emitor:

U

VU I I

EBRE E C

1 ==

UVW⇒ = ⇒ = ⇒ =const.

const.const. const. cons.


c)

IB

ICIE

+_

sarcina

Valim

R E

R1

R2IC

IE

sarcina

sarcina

⇔

Valim

R E

R1

R2

Valim

complianta de tensiune : VCVE < ≤ Valim

++

+

_

U2

d)

+-0.6 V

Fig. 4.10 c) ]i d). Sursa de curent cu tranzistor NPN, realizare practic`.

i acum, merit` s` ne aducem amintec` exist` ]i tranzistoare bipolare PNP la caresensurile tensiunilor ]i curen\ilor sunt inversefat` de cele de la tranzistoarele NPN. Cu unasemenea tranzistor NPN, sursa de curent arat`ca [n Fig. 4.11. ntre cele dou` surse de curentexist` o deosebire esen\ial`: sursa cu tranzistorPNP debiteaz` curent [nspre nodul de mas`(fiind legat` cu o born` la alimentarea pozitiv`)[n timp ce sursa cu tranzistor NPN absoarbecurent [nspre nodul de mas`, fiind legat` cu oborn` la mas`. Din acest motiv, aceasta din urm`se mai nume]te uneori [n limba englez` "currentsink" (absorbant de curent).

Trebuie s` ne [ntreb`m, pentru acestesurse, c[t de mare este complian\a de tensiune. Pede o parte poten\ialul colectorului poate s`ajung` p[n` la borna sursei de alimentare, cea de mas` [n circuitul cu tranzistor PNP ]i, respectiv, cea depoten\ial pozitiv [n circuitul cu tranzistor NPN. Pe de cealalt` parte, excursia acestui poten\ial este limitat` deintrarea [n satura\ie a tranzistorului, prin deschiderea jonc\iunii colector baz`. n am[ndou` circuitele,indiferent de tipul tranzistorului, la satura\ie poten\ialul colectorului devine practic egal cu cel al emitorului,aceasta fiind a doua limit` a domeniului permis pentru poten\ialul colectorului.

Procedur` de proiectareCum proiect`m o surs` de curent cu tranzistor NPN ca cea din Fig. 4.10, alimentat` la 12 V ]i care

s` debiteze un curent I0 2= mA ? Mai [nt[i ne hot`r[m c[t de mare s` fie tensiunea pierdut` pe rezisten\a

din emitor. Dac` va fi prea mic`, sursa va fi mai departe de idealitate, deoarece a]a cum am v`zut c[nd am

IC

IE

sarcina sarcina

⇔

Valim

R ER1

R2

Valim

complianta de tensiune : VC VE<≤0

+

_

U1

+-

+

-

UEB

Fig. 4.11. Surs` de curent cu tranzistor PNP.


discutat caracteristica de ie]ire, curentul de emitor va suferi varia\ii mai mari. Pe de alt` parte, dac` aceast`c`dere de tensiune va fi prea mare, va diminua complian\a de tensiune a sursei de curent. Astfel, o tensiunede 1- 2 vol\i pierdut` pe rezisten\a din emitor este o alegere rezonabil`.

Cunoa]tem, deci, poten\ialul emitorului. Din legea lui Ohm rezult` imediat valoarea rezisten\ei dinemitor

R V IE E= =0 2 V 2 mA =1 kΩ .

Tot din poten\ialul emitorului rezult` poten\ialul bazei, cu 0.6 V mai ridicat,

V VB E= + 0.6 V= 2.6 V.

Mai r`m[ne s` proiect`m divizorul rezistiv. Cum valoarea curentului de baz` va fi cam deI I IB = ≅0 0 100β , valoarea curentului prin divizor va trebui s` fie de cel pu\in 10 ori mai mare, adic`

I0 10. Rezult`, astfel, suma celor dou` rezisten\e

R R V I1 2 010 60+ < ⋅ =alim kΩ .

Raportul celor dou` rezisten\e se ob\ine cu regula de trei simpl`, din raportul tensiunilor care cade pe ele

R

R

V V

VB

B

1

23 6=

−= =alim 9.4 V

2.6 V. .

Putem opta, de exemplu, pentru valorile R R2 1 3= =12 k ; 4 kΩ Ω, care sunt standardizate.

n Fig. 4.12, ave\i reprezentat` sugestiv procedura de proiectare pe care am utiliazt-o.

I0

VE

sarcina

Valim

R E

R1

R2

complianta de tensiune : VCVE < ≤ Valim

+

1. alegem potentialul VEde 1-2 volti

2. RE VE I0=

3. VE=VB + 0.6 V

ValimR1 + R2 < 10 I0

R1 R2 = Valim VB - 1

4. VB

Fig. 4.12. Procedura de proiectare a unei surse de curent cu tranzistor NPN.


Enun\uri frecvent utilizate(at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i)

-Tranzistorul bipolar cu jonc\iuni (BJT) este constituit din trei regiuni semiconductoare,emitorul, baza ]i colectorul. Tipul de dopare al emitorului ]i al colectorului este diferit de cel al bazei,care este foarte sub\ire. Apar astfel, dou` jonc\iuni, emitor-baz` ]i colector-baz`.

-Dup` tipul regiunilor, exist` tranzistoare PNP ]i tranzistoare NPN, pentru care se utilizeaz`

simbolurile

B

E

C

PNP

]i

B

E

C

PNP

. S`geata arat` [ntodeauna sensul [n care conducejonc\iunea emitor baz`; de aici pute\i determina u]or sensurile curen\ilor de emitor ]i de baz`. -Func\ionarea tranzistorului [n regiunea activ` normal` este cu jonc\iunea emitor-baz` directpolarizat` (deschis`) iar jonc\iunea colector-baz` invers polarizat`.

-n aceast` situa\ie I IC E= α , curentul de colector fiind practic egal cu cel de emitor (cu o

precizie [n jur de 1 %); pute\i, de aici, s` gasi\i sensul curentului de colector, dac` cel de emitor intr`[n tranzistor, cel de colector trebuie s` ias` ]i reciproc (din legea curen\ilor).

- n conexiunea cu baza comun`, portul de intrare este [ntre emitor ]i baz` iar portul de ie]ireeste [ntre colecor ]i baz`: baza este, astfel, comun` celor dou` porturi.

- Portul de intrare se comport` ca o diod`, caracteristica sa fiind foarte pu\in afectat` devaloarea tensiunii de ie]ire (colector baz`).

- La portul de ie]ire, tranzistorul se comport` ca o surs` de curent comandat` de stareaportului de intrare. Comportarea este foarte apropiat` de aceea a unei surse de curent constant idealedac` se men\ine constant curentul de emitor. n circuitele practice, [n care polarizarea jonc\iuniiemitor baz` se face cu o surs` de tensiune ]i un rezistor, performan\ele nu sunt mult [nr`ut`\ite,rezisten\a echivalent` av[nd valori de ordinul MΩ.

- Dac` rezisten\a sarcinii are valori prea mari, tranzistorul ajunge [n regiunea de satura\ie,unde jonc\iunea colector baz` se deschide ]i rela\ia I IC E= α nu mai este respectat`.

- Circuitele cu tranzistoare PNP ]i respectiv NPN, cu care se realizeaz` [n practic` surse decurent au configura\iile:

I0

sarcina

Valim

R ER1

R2

PNPtranzistor

sarcina

Valim

R E

R1

R2

NPNtranzistor

I0

-Cel cu tranzistor PNP trimite spre mas` un curent constant pe c[nd cel cu tranzistor NPNabsoarbe [nspre mas` un curent constant.


Termeni noi

-tranzistor bipolar cu jonc\iuni dispozitiv semiconductor constituit din trei regiuni, emitorul, baza ]i colectorul [ntre care se formeaz` dou` jonc\iuni, emitor-baz` ]i colector-baz`; baza trebuie s` aib` grosimea foarte mic` ]i s` fie mult mai slab dopat`;

-tranzistoare PNP tranzistoare bipolare cu jonc\iuni la care emitorul ]i colectorul sunt de tip p iar baza de tip n;

-tranzistoare NPN tranzistoare bipolare cu jonc\iuni la care emitorul ]i colectorul sunt de tip n iar baza de tip p;

-factorul α factorul de propor\ionalitate [ntre curentul de colector ]i cel de emitor, [n func\ionare normal` (factor de amplificare [n curent [n conexiunea baz` comun`); are valori [ntre 0.95 ]i 0.995;

-port pereche de borne [ntre care se aplic` sau se extrage un semnal de tensiune;

-conexiunea baz` comun` configura\ia [n care tranzistorul bipolar este legat astfel [nc[t baza s` fie comun` at[t portului de intrare (emitor-baz`) c[t ]i celui de ie]ire (colector-baz`)

-caracteristic` de intrare dependen\a curent-tensiune la portul de intrare, [n condi\ii ale portului de ie]ire bine precizate (adesea tensiune constant`);

-caracteristic` de ie]ire dependen\a curent-tensiune la portul de ie]ire, [n condi\ii ale portului de ie]ire bine precizate (adesea tensiune constant` sau curent constant);

-conexiunea emitor comun configura\ia [n care tranzistorul bipolar este legat astfel [nc[t emitorul s` fie comun at[t portului de intrare (baz`-emitor) c[t ]i celui de ie]ire (colector-emitor);

-factorul β factorul de propor\ionalitate [ntre curentul de colector ]i cel de

baz`, [n func\ionare normal` (factor de amplificare [n curent [n conexiunea emitor comun); are expresia β α α= −( )1 av[nd

valori peste o sut`;- satura\ie regim de func\ionare al tranzistorului [n care jonc\iunea colector-

baz` ajunge s` fie deschis`; [n acest regim curentul de colector nu mai este controlat de curentul de emitor;

- polarizarea tranzistorului stabilirea unui regim de curent continuu, prin deschiderea (bias) jonc\iunii baz`-emitor, regim peste care se suprapun apoi varia\iile

ce reprezint` semnalul care con\ine informa\ia;- curent de repaus curentul regimului de curent continuu produs de polarizare; poate (quiescent) fi m`surat [n absen\a varia\iilor produse de sursa de semnal;


Probleme rezolvate

Problema 1.Circuitul din Fig. 4.13 este o surs` de curent. Schema este desenat` a]a cum o pute\i [nt[lni [n

textele de electronic` ]i pentru a o [n\elege trebuie s` facem c[teva preciz`ri asupra conven\iilor utilizate de

electroni]ti. n primul r[nd, observ`m o mul\ime de elemente legate cu un cap`t la un simbol de forma ;este simbolul pentru nodul de mas`, toate aceste puncte sunt legate [ntre ele prin firul (sau planul) de mas`care nu se mai deseneaz` explicit pentru a nu complica schema. O alt` deosebire fa\` de schemeledesenate de noi p[n` acum apare [n privin\a surselor de alimenatre care nu se mai deseneaz` nici eleexplicit, cu simbolurile corespunz`toare lor. Cum ele sunt legate [ntodeauna cu un cap`t la mas`, sedeseneaz` pur ]i simplu un cercule\ (dac` se mai deseneaz` ]i acela) ]i se scrie valoarea tensiunii sursei,fa\` de mas`. Ultima observa\ie este legat` de valoarea rezisten\elor: atunci c[nd se utilizeaz` un prefix (kilosau mega) nu se mai trece simbolul Ω. De multe ori, a]a cum se [nt[mpl` la marcarea rezistoarelor, prefixul[nlocuie]te delimitatorul zecimal: 2k2 [nseamn` 2.2 kΩ iar M22 [nseamn` 0.22 MΩ.

I 0

sarcina

Valim

R ER1

R2

15 V

10 k

4.7 k5.1 k

a)

I 0

sarcina

Valim

R E

R1

R2

15 V

10 k

4.7 k

5.1 k

b)

IEIB10.2 V

+-

10.8 V

+

-

0.82 mA

0.82 mA

Fig. 4.13. Surs` de curent.

a) Calcula\i valoarea curentului furnizat de aceast` surs`. ]tiind c` tranzistorul are factorul β de cel

pu\in 100.b) Modifica\i apoi circuitul astfel [nc[t s` ob\ine\i o surs` de curent de 5 mA.

Rezolvare

a) Desen`m sensurile curen\ilor, ca [n Fig. 4.13 b). Pentru aceasta ne aducem aminte c` sensuls`ge\ii de pe simbolul tranzistorului ne d` sensul curentului [n jonc\iunea baz` emitor. Avem, deci, sensulcurentului de baz` ]i al celui de emitor. Curentul intr` [n emitorul tranzistorului ]i, cum curentul de colectoreste practic egal cu cel de emitor, curentul de colector iese din tranzistor.

Divizorul format din rezisten\ele R1 ]i R2 determin` poten\ialul bazei. Trebuie s` afl`m, mai [nt[i

dac` putem s` consider`m c` el este practic ne[nc`cat de curentul cerut de baz`. Pentru aceasta estim`m rapidcurentul de baz`. Curentul de colector (egal practic cu cel de emitor) nu poate fi mai mare de15 3 V 5.1 k mAΩ ≅ (ar lua aceast` valoare dac` pe sarcin` ]i [ntre colector ]i emitor nu ar c`dea de loctensiune). Deoarece I IB C= β ]i β > 100, rezult` c`, [n func\ionare normal`,


IB < =3 mA 100 mA = 30 A0 03. µ . Pe de alt` parte, prin divizorul ne[nc`rcat ar circula un curent de15 4 7 1 V(10 k k mAΩ Ω+ ≅. ) . Acesta este mai mare de 1 0 03 33. ≅ ori dec[t curentul cerut de bazatranzitorului. Cu o aproxima\ie rezonabil` (133 3≅ % ) putem considera c` divizorul nu este [nc`rcat de

curentul bazei.Cu aceasta, poten\ialul bazei rezult` aplic[nd regula de trei simpl`

VB =+

⋅10

10 4 715

k

k k V=10.2V

ΩΩ Ω.

;

cel al emitorului fiind cu aproximativ 0.6 V mai sus

VE = 108. V.

Nu mai avem dec[t s` aplic`m legea lui Ohm pe rezisten\a RE

IV V

REa E

E=

−= =lim .15

0 82 V-10.8 V

5.1 k mA

Ω

]i s` ne aducem aminte c` [n colector curentul este egal practic cu cel din emitor

I IC E= = 0.82 mA.

b) Trebuie s` modific`m circuitul astfel [nc[t sursa de curent s` debiteze 5 mA. Avem dou`variante, fie modific`m divizorul rezistiv, fie modific`m valoarea rezistorului din emitor. Cea de-a dou` estemai tentant`, at[t calculele c[t ]i [nlocuirea efectiv` fiind mai simpl`, deoarece este vorba de o singur`rezisten\`. Cum valoarea sursei de curent este egal` cu intensitatea curentului din emitor, scriem din noulegea lui Ohm pe rezisten\a RE

IV V

R REa E

E E=

−=515

mA = V-10.8 Vlim

de unde rezult` RE = 0.84 k = 840 Ω Ω.

n aceste condi\ii, curentul de baz` ajunge 0.05 mA, de 20 de ori mai mic dec[t curentul prindivizor, care poate fi considerat [n continuare ne[nc`rcat. Valoarea 840 Ω nu este standardizat` [n seria E12(vezi Anexa 1), cea mai apropiat` fiind cea de 820 Ω. Cu ea sursa de curent debiteaz` 5.1 mA; dac` dorim s`avem o valoare mai precis`, \in[nd seama ]i de faptul c` noi am f`cut [n calcul o seam` de aproxima\ii(divizorul ne[nc`rcat, tensiunea emitor baz` egal` cu 0.6 V), cel mai bine este s` realiz`m rezistorul REdintr-o combina\ie serie: o rezisten\a semireglabil` de 250 Ω (mai mic` este greu de g`sit) ]i una fix`,standardizat`, de 680 Ω. n acest fel, valoarea lui RE va putea fi ajustat` [ntre 680 Ω ]i 930 Ω "la cald", [n

timp ce m`sur`m cu un miliampermetru curentul furnizat de sursa de curent.

Problema 2.

Circuitul din Fig. 4.14 este utilizat [ntr-un amplificator de anten` pentru recep\ia de televiziune,func\ion[nd [n banda FIF, canalul 6 (aproximativ 175-180 MHz). Alimentarea este realizat` cu o surs` de6 V, legat` cu minusul la mas` ]i cu borna pozitiv` la cap`tul comun al rezisten\elor R1 ]i R2.


IB

IE IC

R1

+6 V

outinC1

C2C3

C4 C5

C6

R 2 R3

R 4

1k1k

2.2k2.2k

1 nF

1 nF

3.3 pF

5.6 pF 5.6 pF

33 pF

L1 L2

Fig. 4.14. Amplificator de anten` TV.

a) Determina\i, cu aproxima\ie de c[teva procente, punctul static de func\ionare al tranzistorului.Calcula\i, apoi, rezisten\ele dinamice ale porturilor emitor-baz` ]i colector-baz`. Tranzistorul este cu siliciu ]iputem miza pe un factor de amplificare [n curent β de cel pu\in 50 (tranzistoarele de [nalt` frecven\` au

factori de amplificare mai mici).b) ncerca\i s` explica\i rolul fiec`ruia dintre condensatoarele C C1 6÷ . (numai pentru curio]i,

ceilal\i pot omite acest punct la prima lectur`).

Rezolvare

a) Rezistoarele R2 ]i R3 formeaz` un divizor rezistiv; [n absen\a curentului de baz`, ele ar fi

parcurse de un curent de 6 V 4.4 k =1.4 mAΩ . Este curentul de baz` suficient de mare pentru a modifica

semnificativ aceast` situa\ie ? l putem estima imediat: curentul de emitor ar avea valoarea maxim` dac`poten\ialul emitorului s-ar duce la cea mai cobor[t` valoarea posibil`, adic` la zero (la mas`). n acest caz elar fi 6 V 6 mAR1 = , iar curentul de baz` ar avea valoarea 6 mA 0.12 mAβ = . El ar fi, astfel, sub o

zecime din curentul de 1.4 mA care parcurge divizorul: efectul cupl`rii bazei tranzistorului [n nodulcomun al rezisten\elor R2 ]i R3 poate fi neglijat [n aproxima\ia [n care lucr`m. Cel care a proiecat

circuitul ]tia ce face, spre deosebire de mul\i autori de culegeri de probleme.Astfel, am ajuns la un prim rezultat: poten\ialul bazei este la jum`tate din tensiunea de alimentare,

adic` la + 3V (regula de trei simpl` aplicat` pe divizorul rezistiv), VB = +3 V . Cum colectorul este legat [ncurent continuu direct la mas` prin bobina L1, poten\ialul s`u este nul, VC = 0, ]i jonc\iunea colector

baz` este invers polarizat`, a]a cum este necesar pentru a avea tranzistorul [n regiunea activ`.De aici lucrurile devin at[t de simple c` pot p`rea plictisitoare: jonc\iunea emitor baz` este

polarizat` direct ]i tranzistorul este cu siliciu, deci poten\ialul emitorului este cu 0.6 V mai sus,

VE = +3.6 V. Legea lui Ohm aplicat` pe R1 conduce imediat la IRE =−

=6V 3.6V

mA1

2 4. ]i, deoarece

curentul de colector este egal cu acesta, IC = 2.4mA .

ntruc[t factorul β nu este cunoscut cu precizie, ]tiind despre el c` este pe undeva peste 50, curentulde baz` poate fi numai estimat IB < 5 ≅2.4mA 0 mA0 05. . Aceasta [nseamn` mai pu\in de 4% din

curentul divizorului; cam cu at[t ne-am [n]elat c[nd am calculat poten\ialul bazei.n ceea ce prive]te rezisten\a dinamic` a portului emitor-baz` r dV dIdEB EB E= , calculat` [n

jurul punctului de func\ionare determinat anterior IE = 2 4. mA , ea rezult` simplu din formular V IdEB T E= = ≅25mV 2.4mA 10Ω . Pentru rezisten\a dinamic` dintre colector ]i baz` nu putem s`

facem dec[t o estimare. Contribu\ia factorului α , conform celor spuse la sec\iunea C, va fi10 4M 2.4 MΩ Ω≅ . n plus, varia\ia curentului de emitor datorat varia\iei lui VEB va mai produce un efect


ce poate fi modelat cu o rezisten\a dinamic` tot de aproape 4 MΩ (c`derea de tensiune pe rezisten\a dinemitor este de 2.4 V, aproximativ egal` cu cea din exemplul discutat la sec\iunea 1.C). Cele dou` rezisten\eapar [n paralel (sunt dou` varia\ii de curent, produse de dou` mecanisme diferite, care se adun`), a]a c`rezisten\a dinamic` [ntre colector ]i baz` va fi pe undeva pe la 2 MΩ .

Observa\ie: [n func\ionarea amplificatorului, la frecven\e mari, [n paralel cu aceste rezisten\edinamice (calculate pentru varia\ii cuasistatice) trebuie considerate capacit`\ile echivalente emitor-baz` ]icolector-baz`. Cea dintre emitor ]i baz` nu conteaz` pentru c` este [n paralel cu o rezisten\` dinamic`foarte mic` (10 Ω [n cazul nostru) dar cea dintre colector ]i baz` are un rol esen\ial [n func\ionare. Pentruun tranzistor de [nalt` frecven\` aceasta este de ordinul a 0.5 pF. Astfel, la frecven\a de lucru de 180 MHz,ea are o reactan\` de numai 1.8 kΩ..

b) Am v`zut c`, pentru a putea amplifica, tranzistoarele bipolare trebuie polarizate, adic` aduse[ntr-un anumit punct static de func\ionare caracterizat prin valorile curen\ilor ]i poten\ialelor de repaus. C[ndcircuitul con\ine mai multe etaje, polarizarea se rezolv` ([n general) separat pentru fiecare etaj. Ce trebuie s`facem pentru ca la cuplarea etajelor [ntre ele rezultatul efortului nostru de a polarizara etajele s` nu sespulbere ? S` [mpiedic`m curentul continuu s` circule [ntre diferite etaje. Varia\iile (semnalul), caretrebuie amplificate, trebuie, totu]i s` treac`. Acest rol [l [ndeplinesc condensatoarele de separare C 1 ]i C6.

Condensatorul C2 este cuplat [ntre alimentarea pozitiv` ]i mas`, adic` [ntre terminalele sursei de

alimentare. El ne aminte]te de condensatorul de filtraj care avea rolul s` furnizeze consumatorului varia\iilebru]te de curent. La frecven\a de lucru, inductan\ele firelor care merg la sursa de alimentare nu pot fineglijate ]i ele se comport` ca ni]te ]ocuri [mpiedic[nd varia\iile rapide ale curentului. Din acest motiv acestevaria\ii trebuie furnizate de undeva din apropierea tranzistorului, cu un condensator capabil s` lucreze lafrecven\e mari (cu inductan\` proprie foarte mic`): acesta este rolul lui C2, care de multe ori este unul f`r`

terminale.Condensatoarele C4 ]i C5 sunt legate [n paralel pe ni]te inductan\e, form[nd ni]te circuite

rezonante. Aceasta deoarece circuitul este destinat s` amplifice numai o band` [ngust` de frecven\e. A mai r`mas condensatorul C3. Pentru a [n\elege rolul lui trebuie s` ne [ntreb`m mai [nt[i ce fel de

configura\ie are amplificatorul, cu emitorul comun sau cu baz` comun`. Pentru a r`spunde la [ntrebare,c`ut`m bornele de intrare ]i ie]ire ale semnalului (varia\iilor). Ie]irea este legat`, prin transformatorulL1 L2, [n colector, a]a cum ne a]teptam ([ntodeauna curentul de colector este m`rimea controlat` la un

tranzistor bipolar). Borna de intrare, prin C 1, este legat` [n emitor. A mai r`mas un singur terminal, baza.

Amplificatorul este, deci, cu baz` comun`. Acest terminal trebuie \inut la poten\ial constant, pentru ca acolovaria\iile s` fie nule ]i varia\iile de la intrare (ale poten\ialului VE ) s` se reg`seasc` integral [n varia\iiletensiunii emitor baz` (∆ ∆ ∆ ∆ ∆V V V V VEB E B E E= − = − =0 ) deoarece tranzistorul este controlat de

tensiunea emitor-baz`. Pentru a \ine practic constant poten\ialul bazei, de]i curentul de baz` variaz` [n timp,solu\ia este legarea unui condensator [ntre baz` ]i mas`. Datorit` rezervei sale de sarcin`, el va furnizavaria\iile de curent f`r` s`-]i modifice semnificativ tensiunea de [nc`rcare. Acesta este rolul condensatoruluiC3. El scurtcircuiteaz`, numai [n curent alternativ, baza la mas` ]i este numit [n jarrgonul electroni]tilor

condensator de decuplare.


Probleme propuse

P 4.1.1. Un coleg a [nceput desenarea unei scheme, pe carenu a mai continuat-o, astfel c` multe informa\ii lipsesc (Fig. 4.15).tiind c` simbolurile pentru tranzistoare au fost utilizate corect ]i c`tranzistorele se g`sesc [n regiunea normal` de func\ionare, completa\ischema cu polaritatea surseei de alimentare ]i sensurile curen\ilor printerminalele tranzistoarelor. De ce tip sunt tranzistoarele ?

P 4.1.2. De fapt, colegul vostru a [nceput s` deseneze maimulte scheme; a]a c` mai ave\i de lucru. Completa\i ]i schema dinFig. 4.16 a), cu acelea]i informa\ii ca la problema precedent`.

T

R ssarcina4.7 k

560 Ω

15 V

T1

R E1

T2

RE2

R B1

R B2

R s

20 V

a) b)Fig. 4.16.

P 4.1.3 i, [n sf[r]it, ultima schem`,care trebuie completat` cu polaritatea sursei de alimentare ]isensurile curen\ilor: aceea din Fig. 4.16 b).

P 4.1.4. Relua\i schema din Fig. 4.16 a) pe care tocmai a\i completat-o. A\i recunoscut ce este ?tiind c` cele trei diode sunt din siliciu, calcula\i poten\ialul din baza tranzistorului. Determina\i apoipoten\ialul emitorului ]i curentul din emitor. C[t este curentul din colector ? Dac` nu a\i recunoscut de la[nceput ce este circuitul, aceasta este ultima ]ans`: a intervenit [n calcularea curentului de colector m`rimearezisten\ei de sarcin` ? Ce semnifica\ie are acest lucru ?

P 4.1.5. n circuitul de la problema precedent`, [nlocui\i cele trei diode cu un rezistor, astfel [nc[tvaloarea curentului de colector s` r`m[n` nemodificat`. Pentru tranzistor pute\i conta pe un factor β de cel

pu\in 100.P 4.1.6. Ave\i dou` circuite care [ndeplinesc aceea]i func\ie. Considera\i acum c` tensiunea de

alimentare are o varia\ie de 10 % ]i determina\i efectul asupra curentului de colector, pentru fiecare dincircuite. Formula\i o concluzie.

P 4.1.7. Utiliz[nd un tranzistor NPN cu factorul β mai mare dec[t 100 ]i o surs` de alimentare de

12 V, proiecta\i o surs` de curent care s` absoarb` spre mas` un curent de intensitate 5 mA. Stabili\i

T1

10 V

T2

Fig. 4.15.


poten\ialul bazei cu un divizor rezistiv, ca [n procedura de proiectare din Fig. 4.12.. Determina\i complian\ade tensiune a sursei proiectate.

P 4.1.8. Relua\i aceea]i problem` de proiectare dar rezolva\i stabilirea poten\ialului bazei cu treidiode [n serie, inspir[ndu-v` din Fig. 4.16 a)

P 4.1.9. Am v`zut c` la modificarea tensiunii colector baz`,valoarea curentului de colector nu r`m[nea perfect constant` din dou`motive: varia\ia lui α cu VCB ]i varia\ia curentului de emitor cu VCB .

Apropierea maxim` de sursa de curent ideal` avea loc dac` valoareacurentului de emitor putea fi men\inut` constant`. Circuitul dinFig. 4.17 [ncearc` s` fac` acest lucru. Mai [nt[i, neglij[nd curen\ii bazelor,calcula\i poten\ialele celor dou` baze. Determina\i apoi poten\ialeleemitoarelor ]i, [n final, curen\ii de emitor ]i colector ai celor dou`tranzistoare.

P 4.1.10. Cu o valoare a rezisten\ei de sarcin` de 5 kΩ,determina\i poten\ialul de colector al tranzistorului T1. S` presupunem,acum, c` rezisten\a de sarcin` se modific`, schimb[nd poten\ialul decolector tocmai calculat. ntre ce limite se poate modifica aceast`rezisten\a, f`r` s` aduc` tranzistorul T1 [n satura\ie ?

P 4.1.11. Afecteaz` varia\ia rezisten\ei de sarcin` tensiuneacolector baz` a tranzistorului T2 ? Ce pute\i spune, [n aceste condi\iidespre varia\ia curentului sù de colector ?

P 4.1.12. Afecteaz` varia\ia rezisten\ei de sarcin` tensiunea colector baz` a tranzistorului T1 ?Consider[nd c` poten\ialul colectorului a efectuat [ntreaga varia\ie permis` f`r` a aduce tranzistorul [nsatura\ie, [ncerca\i s` estima\i varia\ia curentului sù de colector. Nu uita\i c` [n emitorul sù curentul esteexact curentul de colector al tranzistorului T2 .

P 4.1.13. ncerca\i o compara\ie [ntre performan\ele sursei de curent cu un singur tranzistor ]iperforman\ele sursei de curent perfec\ionate pe care tocmai a\i analizat-o.

Valim

T1

T2

+20 Vsarcina

5 k

5 k

10 k

4.3 k

Fig. 4.17.


Lucrare experimental`

Preg`tirea experimentelor

+_ VA2

+_

R E

mA

VI

mA

IC

0 ... 10 V

VA1

aparatI

E C

B

V

tranzistor PNP

6 V

500 Ω

Fig. 4.18. Circuit pentru trasarea caracteristicilor statice.

Desena\i-v` pe caiet circuitul din Fig. 4.18, pe care [l ve\i utiliza pentru trasarea caracteristicilorstatice. Determina\i sensurile curen\ilor ]i polarit`\ile necesare pentru aparatele de m`sur` ]i completa\ischema cu aceste informa\ii. Realiza\i apoi circuitul.

Sursa VA2 , legat` direct [ntre colector ]i baz`, va men\ine constant` tensiunea VCB iar

miliampermetrul va m`sura valoarea curentului de colector. Sursa VA1 ]i rezisten\a RE vor asigura

deschiderea jonc\iunii emitor-baz`. Pentru controlul mai fin al punctului de func\ionare a mai fost montat unpoten\iometru pe plan]et`. Voltmetrul m`soar` tensiunea tensiunea VEB [ntre baz` ]i emitor. Cunosc[nd

tensiunea de deschidere (tranzistorul este cu siliciu), stabili\i scala pe care va trebui utilizat voltmetrul ]inota\i aceasta pe schema desenat`.

Pentru determinarea curentului de emitor a fost intercalat un miliampermetru. El nu m`soar` [ns`curentul de emitor ci suma dintre acesta ]i curentul prin voltmetru

I IV

Raparat EEB

V= + ;

dac` al doilea termen este semnificativ, va trebui s` face\i corec\ia necesar`.

Determina\i rezisten\a voltmetrului, decupl[nd emitorul tranzistorului (leg[nd miliampermetrulnumai la voltmetru) ]i ajust[nd sursa VA1 astfel [nc[t tensiunea pe voltmetru s` fie pe scala de 1V, acolo

unde voltmetrul va fi utilizat. Compara\i valoarea aflat` cu cea [nscris` pe aparat.


Experimentul 1. Caracteristica de intrare

Caracteristica de intrare este dependen\a curentului de emitor [n fnc\ie de tensiunea baz`-emitor. Ea trebuie trasat` men\in[nd constant` tensiunea colector-baz`, care este parametrul la care setraseaz` caracteristica. Ve\i modifica valoarea curentului de emitor [ntre 0 ]i 10 mA. Stabili\i la 10 V tensiunea VCB ]i

apoi varia\i polarizarea jonc\iunii emitor-baz`, observ[nd deschiderea jonc\iunii emitor-baz` ]i faptul c` eacontroleaz` curentul de colector. nainte s` trasa\i caracteristica, determina\i aproximativ tensiunea dedeschidere. Pentru a trasa caracteristica de intrare [n scar` liniar`, determina\i 10-12 puncte experimentale,pe c[t posibil cu valori IE echidistante. M`sura\i, [n acela]i timp, ]i valorile curentului de colector, trec[nd

datele [ntr-un tabel de forma

VEB (V) Iapara (mA) I V RV EB V= (mA) I I IE aparat V= − (mA) IC (mA) α = I IC E

0 0 0 0 0

Completa\i apoi tabelul, f`c[nd m`sur`tori la valori mult mai mici ale curen\ilor. Utiliza\i, pentruvalorile curentului de emitor, secven\a 1 mA, 0.5 mA, 0.2 mA, 0.1 mA, 0.05 mA, 0.02 mA, 0.01 mA, 0.005mA, 0.002 mA, 0.001 mA deoarece aceste valori vor ap`rea practic echidistante pe scar` logoritmic`.

Modifica\i acum tensiunea colector-emitor la valoarea 0 V sco\[nd firele de alimentare de la bornelesursei VA2 ]i leg[ndu-le [ntre ele. Reface\i m`sur`torile tensiunii VEB la valorile 10 mA, 1 mA,

0.1 mA ale curentului de emitor.Reprezenta\i, apoi, grafic, [n coordonate liniare, [ncep[nd de la VEB = 0, caracteristica

I f VE EB= ( ) ridicat` la VEB = 10V . Se comport` portul de intrare ca un rezistor ? Pentru mici varia\ii [njurul unui punct de func\ionare, putem introduce rezisten\a dinamic` r V Ieb EB E= ∆ ∆ . Calcula\i, din

grafic, valorile ei la curent de colector de 0.1 mA ]i 1 mA. Desena\i pe acela]i grafic ]i punctele experimentale ridicate la VCB = 0V . Cum depinde

comportarea portului de intrare de tensiunea de la portul de ie]ire ? Dac` a\i avut un voltmetru digital,[ncerca\i s` pune\i [n eviden\` deosebirile dintre cele dou` grafice reprezent[nd [n detaliu o regiune acarcteristicii de la curen\i mari, pe care tensiunea emitor baz` nu variaz` cu mai mult 50 mV.

Dac` nu a\i avut un voltmetru digital, [mprumuta\i unul ]i, la curentul de emitor constant de10 mA, m`sura\i tensiunea emitor baz` cu VCB = 10 V ]i apoi cu VCB = 0 V. Determina\i cu c[t s-a

modificat tensiunea emitor baz` [n aceste condi\ii.Verifica\i acum c` expresia caracteristicii de intrare este una exponen\ial`. Pentru aceasta desena\i

caracteristica I f VE EB= ( ) cu o scar` logaritmic` pentru curent. Ce form` are graficul ob\inut ? Ce

concluzie trage\i de aici ? Determina\i pe ce interval de varia\ie a tensiunii curentul cre]te cu o decad` (semultiplic` cu un factor de 10). Din aceast` valoare calcula\i poten\ialul termic VT , utiliz[nd rela\ia (4.3).


10

10

10

10

-2

-1

0

1

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80

curentul de emitor (mA)

tensiunea emitor-baza (volti)

Experimentul 2. Caracteristica de transfer I f IC E= ( )

Ave\i, [n tabelul completat la primul experiment, date asupra curentului de emitor ]i a celui decolector. Estima\i mai [nt[i eroarea absolut` cu care a\i determinat aceste valori. Apoi compara\i [ntre elevalorile IE ]i IC ]i formula\i o concluzie asupra valorii factorului α .

Experimentul 3. Caracteristica de ie]ire

Muta\i voltmetrul din ochiul emitorului [n acela al colectorului, astfel [nc[t s` m`soare tensiuneacolector-baz`; aten\ie la polaritate ! Fixa\i apoi IE la o anumit` valoare (s` zicem 2 mA) ]i mic]ora\igradual tensiunea VCE de la 10 V p[n` la 0 V, urm`rind evolu\ia curentului de colector. Cum sursa VA2 nu

coboar` tensiunea exact p[n` la zero, pentru ob\inerea acestei valori desface\i firele de la surs` ]i lega\i-le[ntre ele. Reconecta\i sursa ]i reface\i experimentul pentru alte c[teva valori ale curentului de emitor (4 mA, 6

mA, 8 mA) . Desena\i aceste dependen\e I f VC CB I constE= =( ) . pe acela]i grafic, ob\in[nd o parte din

familia de caracteristici de ie]ire. Cunosc[nd eroarea absolut` cu care a\i m`surat curentul de colector,estima\i valoarea rezisten\e dinamice dintre colector ]i baz`. Este ea concordant` cu predic\ia f`cut` pe bazacunoa]terii c`derii de tensiune pe rezisten\a RE (pag. 93) ?

Experimentul 4. Ohmmetrul electronic

Multimetrele electronice digitale ofer`, [n afara func\iilor de voltmetru ]i ampermetru, ]i pe aceeade ohmmetru. Principiul de func\ionare pentru aceasta din urm` este foarte simplu: prin rezisten\a devaloarea necunoscut` se trece un curent constant, de valoare cunoscut`, furnizat de la o surs` de curent ]i sem`soar` tensiunea. Ve\i realiza ]i dumneavoastr` un ohmetru electronic de acest tip. Mai [nt[i, desena\i-v`schema sursei de curent din Fig. 4.19 a) ]i calcula\i poten\ialul bazei, poten\ialul emitorului ]i valoareacurentului de colector.

Calculul pe care l-a\i f`cut este numai unul aproximativ deoarece nu cunoa]tem cu suficient`precizie valoarea rezisten\ei din emitor ]i caracteristcile statice neliniare ale diodelor ]i tranzistorului. Dinacest motiv, sursa de curent trebuie "etalonat`" (calibrat`) la cald, adic` [n stare de func\iune. Pentru aceasta,alimenta\i circuitul de pe plan]et`, conecta\i un miliampermetru analogic ]i ajusta\i rezisten\a reglabil` din


emitor pentru a ob\ine un curent de 100 µA. Monta\i apoi [n serie cu miliampermetrul diferite valori derezisten\e ]i verifica\i c[t de "ideal`" este sursa de curent.

Ohmmetrul nostru este gata, nu mai r`m[ne dec[t s` conect`m un voltmetru electronic ]i rezisten\ade valoare necunoscut` (Fig. 4.19 b). M`sura\i, astfel, valorile rezisten\elor necunoscute existente peplan]et`.

a)

T

4.7 k

15 V

mA

12 kT

4.7 k

15 V

12 k

V rezistentanecunoscuta

ohmetru

b)

Si

Fig. 4.19. Ohmmetru electronic.

Ce se [nt[mpl` dac` [ncerc`m s` m`sur`m "rezisten\a" [n polarizare direct` a unor diode ? Ave\i peplan]et` dou` diode cu care pute\i experimenta acest lucru. Formula\i o concluzie.


Pagin` distractiv`

Ani buni de munc` le-au fost necesari cercet`torilor de la Bell Laboratories ca s` realizeze primeletranzistoare cu jonc\iuni. Cum sandwich-ul are trei straturi, [ntre acestea exist` dou` jonc\iunisemiconductoare. Mult mai eficien\i, speciali]tii no]tri autori de manuale2 inventeaz` dintr-un condeitranzistorul bipolar cu trei jonc\iuni, cea suplimentar` fiind [ntre colector ]i emitor :

Este de mirare cum a]a referen\i serio]i ]i o a]a competent` comisie de avizare a Ministerului nu auvalorificat aceast` prioritate româneasc`. Punem acest lucru pe seama caracterului lor modest, modest ...

Noutate plutea [ns` [n aer [nc` de la pagina anterioar`, unde simbolul tranzistorului este p`rinte]tetras de urechi pentru a nu ar`ta sensul curentului prin jonc\iunea baz`-emitor dec[t [n conexiunea emitorcomun :"n simbolul tranzistorului, s`geata indic` sensul conduc\iei [n prima jonc\iune (E-B), [n montaj cu emitorulcomun ...."Ce trebuie s` fac` simbolul [n celelalte conexiuni este treaba lui, ori s`geata dispare, ori, mai bine, arat`todeauna [nspre ace]ti autori inventivi.

C` treaba este serioas` ]i tranzistorul acestor domni autori este ceva cu totul nou, ne putem convingeimediat. Cum crede\i c` se comport` "jonc\iunea colector-emitor ? A]a e c` nu ghici\i ? Ca un rezistor :"Dac` un tranzistor se deschide ..., atunci rezisten\a dintre colector ]i emitor ( RCE ) scade foarte mult...." iasta nu e [nc` nimic, pentru c` "UCE devine neglijabil` (zecimi de volt) c[nd curentul IC atinge valorile

maxime admise (notate [n cataloagele de dispozitive semiconductoare)". Trebuie s` recunoa]tem c` acesttranzistor, care se uit` [n cataloage ca s` ]tie s` intre [n satura\ie c[nd curentul IC atinge "valorile maxime

admise" este [ntr-adev`r ceva revolu\ionar.i comportarea sa [n circuite este la

fel de revolu\ionar`. De exemplul, [n cel dinfigura al`turat`: "C[nd fotorezisten\a FR esteluminat`, rezisten\a ei scade, tranzistorulintr` puternic [n conduc\ie ]i ....". Oricare alttranzistor NPN s-ar fi blocat la sc`derearezisten\ei R2, cel al autorilor cita\i "intr`

puternic [n conduc\ie". Numai s` fiefotorezisten\a "luminat`", vorba(inconfundabil`) a acestor autori.

Ca orice realizare important` ]iinventarea acestui tranzistor a necesitat opreg`tire anterioar`. G[ndi\i-v` numai princ[te c`r\i or fi c`utat p[n` au g`sit simbolurilestranii pe care le folosesc pentru rezistoare, becuri ]i diode. Sau poate ne [n]el`m noi, le-au g`sit [n prima (]isingura) ....

2 ***, "Fizic`", Manual pentru clasa a X-a, Ed. Teora Educa\ional, Bucure]ti, 2000.


4.2. Conexiunea emitor comun

2.A. Configura\ia cu emitor comun

Structura ]i modul de func\ionare ale tranzistorului bipolar cu jonc\iuni au fost descrise [n sec\iunea4.1. n regimul de func\ionare activ normal, jonc\iunea emitor-baz` este direct polarizat` (deschis`), [n timpce jonc\iunea colector-baz` este invers polarizat`. n aceste condi\ii, curentul de colector este dat de rela\ia

I I IC E CB= +α 0; (4.11)

deorece ICB0 (curentul invers rezidual colector-baz` cu emitorul [n gol) este complet neglijabil la

tranzisoarele moderne cu siliciu, iar factorul α este extrem de aproape de unitate, curentul de colector estepractic egal cu cel de emitor, a]a cum se poate constata ]i [n Fig. 4.20.

IB

IE

foarte mic+_+

_0.6 V 10 V

IC = IEα + I CB0

a)

10 V

I CB0IE =0

b)

+_

Fig. 4.20. Curen\ii [n regiunea activ` normal` (a) ]i semnifica\ia curentului rezidual ICB0.

Configura\ia cu baz` comun` din figura precedent` prezint` dou` dezavantaje:- cele dou` surse au polarit`\i opuse [n raport cu masa ]i, de aceea, nu se utilizeaz` aproape niciodat`

pentru regimul de curent continuu (polarizare);- curentul de emitor are valori egale cu acelea ale curentului pe care [l comand`; din acest motiv,

pentru regimul de varia\ii (prelucrarea semnalelor) configura\ia cu baz` comun` este utilizat` numai [n pu\ineaplica\ii.

10.6 V

IB foarte mic

0.6 V

+_

IC = IEα + I CB0

IB

IE

foarte mic0.6 V 10.6 V

+_ _+

IC = IEβ + I CE0

a) b)

+_

Fig. 4.21. Conexiunea cu emitor comun.

Prin deplasarea sursei de tensiune de 0.6 V de-a lungul buclei de circuit, se ajunge la configura\ia cuemitorul comun din Fig. 4.21 a) care este cea mai utilazt` configura\ie pentru tranzistoarele bipolare. Pentru


a avea portul de intrare [n st[nga, schema trebuie redesenat` ca [n Fig. 4.21 b), a]a cum o ve\i [nt[lni[ntodeana [n aplica\ii.

n conexiunea cu emitorul comun, portul de intrare este [ntre baz` ]i emitor iar cel de ie]ire este [ntre colector]i emitor, terminalul de emitor fiind comun.

De]i perechea de borne de intrare este aceea]i ca la conexiunea baz` comun`, curent de intrare esteacum curentul bazei, care este de cel pu\in o sut` de ori mai mic dec[t cel de emitor. Prin aplicarea legiicuren\ilor ]i utilizarea rela\iei (4.11), curentul de colector poate fi exprimat [n func\ie de curentul de baz` prin

I I IC B CB=−

+−

αα α1

1

1 0. (4.12)

Factorul

βα

α=

−1 (4.13)

este esen\ial pentru descrierea func\ion`rii acestei configura\ii ]i se nume]te factor de amplificare a curentului[n conexiunea emitor comun. Cum α este foarte apropiat de unitate, factorul β are valori mari, de ordinulsutelor. Numai [n cazul tranzistoarelor de mare putere factorul β are valori mai mici, de ordinul

20 - 50.Deoarece la numitorul rela\iei (4.13) este o diferen\` [ntre dou` numere foarte apropiate, valoarea ei

este extrem de sensibil` la varia\iile lui α . Diferen\iind rela\ia, putem ar`ta c`

d d d dββ α

αα

βα

αβ

αα

=−

⋅ = + ⋅ ≅ ⋅1

11( ) ; (4.14)

astfel

varia\iile relative ale factorului α provoac` varia\ii relative ale factorului β de sute de ori mai mari.

Din acest motiv, de]i factorul α este controlat tehnologic rezonabil de bine,

factorul β are o [mpr`]tiere tehnologic` foarte mare.

Astfel, [n practic`, la montarea unui tranzistor [ntr-un circuit, asupra lui exist` o incertitudine destul de mare,extremit`\ile acestui interval fiind cel pu\in [n raportul 1:2. De exemplu, la BC 171A factorul β este [ntre

125 ]i 260 (litera A [nseamn` ca produc`torul a f`cut deja o sortare prealabil`, dac` a\i cump`ratBC 171 pute\i s` v` a]tepta\i la valori [ntre 40 ]i 1000). Din aceast` cauz`,

orice circuit cu tranzistoare ale c`rui performan\e (punct static de func\ionare, amplific`ri, etc) depindputernic de factorul β este contraindicat [n aplica\iile practice.

Observa\ie: A\i sc`pat, astfel, de rezolvarea unui mare num`r de probleme din culegerile scrise de oserie de autori rom`ni, speciali]ti [n "electronic` teoretic`".


Exprim[nd cu ajutorul factorului β rela\ia (4.12), avem

I I IC B CB= + +β β( )1 0;

dac` definim curentul rezidual colector-emitor (cu baza [n gol) prin I ICE0 CB0= +( )β 1 , rela\ia anterioar`

cap`t` forma

I I IC B CE0= +β . (4.15)

La siliciu curen\ii reziduali sunt extrem de mici; de exemplu, chiar la un tranzistor de curent mare(15 A) cum e 2N3055, curentul ICE0 este sub 20 nA la temperatura camerei ]i abia ajunge spre 100 µA

dac` [l [nc`lzim la 130 oC. Putem, deci, scrie cu foarte bun` aproxima\ie

I IC B= β (4.16)

iar cu o aproxima\ie mai bun` de un procent

I IC E≅ . (4.17)

Curentul de colector este practic egal cu cel de emitor ]i de β ori mai mare dec[t curentul de baz`.

S` privim acum un tranzistor NPN [ntr-o schem`practic` cu emitorul comun (Fig. 4.22). Func\ionarea sapoate fi [n\eleas` cu un model extrem de simplu. ntrebaz` ]i emitor exist` o jonc\iune semiconductoare care secomport` ca o diod`: curentul poate s` treac` numai [ntr-un singur sens, dac` tensiunea baz` emitor dep`]e]tetensiunea de prag, egal` cu 0.6-0.7 V. Peste aceast`valoare, curentul cre]te foarte abrupt (valoarea samultiplic[ndu-se cu 10 la fiecare varia\ie de aproximativ60 mV). Putem astfel considera, [n prim` aproxima\ie, c`dup` deschidere, tensiunea baz`-emitor r`m[neconstant`, valoarea curentului de baz` fiind determinat`de circuitul exterior;

[n absen\a unei rezisten\e de limitare a curentului, polarizarea jonc\iunii baz`-emitor direct cu o surs` detensiune cu rezisten\` mic` este o cale sigur` pentru distrugerea tranzistorului.

+_

0.6 V

IB

IC IB= β

IE ≅ ICEB

+_

RC

VCValim

Valim

R B

Fig. 4.22. Tranzistorul NPN [ntr-un circuitpractic cu emitorul comun.


Dac` [ntre colector ]i emitor s-ar face scurtcircuit (manevr` absolut inofensiv` pentru tranzistor), amob\ine o valoare maxim` a curentului

I VRCmaxalim

C= ; (4.18)

[ndep`rt[nd scurtcircuitul, curentul de colector nu poate fi dec[t mai mic sau egal cu aceast` valoare0 ≤ ≤I IC Cmax . Tranzistorul se comport` ca un robinet controlat: el nu produce curent ci numai las` s`treac` unul de valoare I IC B= β , indiferent de circuitul extern (tensiunea de alimentare Valim ]i rezisten\aRC), at[ta timp c[t circuitul extern poate furniza aceast` valoare de curent, a]a cum se poate vedea [nFig. 4.23. Putem [nlocui rezisten\a RC cu o diod` conectat` [n polarizare direct` (desenul b): valoarea

curentului de colector va r`m[ne practic neschimbat`, se va modifica numai poten\ialul colectorului, de laV I Ralim C C− la Valim − 0 6. V . La fel de bine putem s` o [nlocuim cu un scurtcircuit, poten\ialulcolectorului se va duce la Valim dar curentul de colector va r`m[ne nemodificat (desenul c).

0.6 V

Valim+10 V

10 mA

500 Ω

5V

5µ A

0.6 V

Valim+10 V

10.5 mA

9.4V

5µ A

0.6 V

Valim+10 V

10.5 mA

10V

5µ A

+

-5 V

+

-0.6 V

Fig. 4.23. n regiunea activ` normal` curentul de colector este practic constant (egal cu βIB )

indiferent de dispozitivul conectat [n colector.

Func\ia tranzistorului este controlul curentului de colector, control efectuat prin starea portului deintrare. S` ne [ntoarcem la situa\ia din desenul a) al figurii precedente, [n care avem o rezisten\` legat` [ncolector, ]i s` cre]tem curentul bazei, ca [n Fig. 4.24 a). Tranzistorul ac\ioneaz` ca un robinet controlatpermi\[nd ca un curent mai mare s` fie absorbit din rezisten\a de colector. n acela]i timp [ns`, conformerela\iei V V R IC C C= −alim , poten\ialul colectorului coboar`, a]a cum se [nt[mpl` cu nivelul lichidului din

rezervorul 2 din echivalentul hidraulic reprezentat [n desenul b). n circuitul hidraulic, nivelul rezervorului 1este presupus constant, a]a cum este men\inut poten\ialul de +10 V, iar debitul prin conducta ce leag`rezervoarele este aproximativ propor\ional cu diferen\a de nivel [n cele dou` rezervoare (echivalentul legii luiOhm pe rezisten\a din colector).


0.6 V

Valim+10 V

10 mA

500 Ω

5V

5µ A

+

-5 V

0.6 V

Valim+10 V

15 mA

500 Ω

2.5V

7.5 µ A

+

-7.5 V

rezervor 1 rezervor 1

rezervor 2 rezervor 2

a)

b)

Fig. 4.24. Cre]terea curentului de baz` deschide mai mult tranzistorul, provoc[nd cre]terea curentului decolector ]i cobor[rea poten\ialului colectorului.

2.B. Caracteristica de intrare

A]a cum spuneam, portul de intrare este echivalent cu o diod`, caracteristica sa static` I f VB BE= ( )

fiind aproximativ exponen\ial` ]i foarte pu\in influen\at` de tensiunea colector-emitor, atunci c[nd valoareaacesteia este modificat` [ntre 1 V ]i c[teva zeci de vol\i (p[n` la valoarea maxim` garantat` de fabricant). Nudiscut`m aici situa\ia [n care colectorul este l`sat [n gol (IC = 0) pentru c` aceasta nu se [nt[lne]te [n

aplica\ii. C[nd VBE este mai mic dec[t tensiunea de deschidere ([n jur de 0.6 V), curentul de baz` este practicnul; dup` dep`]irea tensiunii de deschidere el cre]te foarte rapid, astfel [nc[t la valorile permise pentru IBtensiunea VBE este aproximativ constant`.

Dac` efectu`m m`sur`tori mai precise, constat`m c` m`rirea tensiunii colector-emitor deplaseaz`extrem de pu\in caracteristica de intrare. Pentru aceea]i valoare a curentului de baz`, tensiunea necesar` [ntrebaz` ]i emitor este un pic mai mare. Pentru o varia\ie VCE [ntre 1 ]i 11 vol\i, aceasta, care are valori pe la

600 mV, cre]te cu mai pu\in de 1mV ! Dac` men\inem constant` tensiunea emitor-baz`, la aceea]i varia\ie alui VCE , curentul de baz` scade cu mai pu\in de 3%.


2.C. Caracteristicile de transfer

Vom p`stra constant` tensiunea colector-emitor,la o valoarea care asigura func\ionarea in regiuneaactiv`. M`rimea de ie]ire este curentul de colector dar,ca m`rime de intrare avem de ales [ntre curentul de baz`]i tensiunea baz` emitor. Dac` alegem curentul de baz`,

conform rela\iei I IC B= β , ne a]tept`m la o linie

dreapt` care trece prin origine. Dac` pe graficulI f IC B= ( ) e pu\in probabil s` observ`m (cu ochiul

liber) o abatere de la linia dreapt`, calcularea raportuluiI IC B DC= β , numit factor static de amplificare ([n

curent continuu), arat` c` acesta nu r`m[ne constant. Peo scar` lin-lin acest fenomen nu este evident deoareceeste localizat foarte aproape de originea axelor. Dinacest motiv, e mai bine s` reprezent`m chiar dependen\alui βDC [n func\ie de curentul de colector. La un

tranzistor de mic` putere, ea are forma din Fig. 4.25. Seobserv` c` dac` tranzistorul este operat la curen\i de colector foarte mici, [n domeniul microamperilor,factorul de amplificare βDC scade aproape la o zecime din valoarea sa maxim`.

Observa\ie: n cataloage, factorul de amplificare static βDC este notat adesea cu hFE ("h" pentru c`

este considerat unul din parametrii hibrizi, "F" de la forward ]i "E" de la emitor comun). Indicele "FE" estescris cu litere mari pentru a ar`ta c` factorul este definit la curent continuu.

Cum dependen\a I f IC B= ( ) nu este strict liniar`, este clar c` nici panta ei nu este constant`. Se

define]te, din acest motiv, factorul dinamic de amplificare [n curent β ACC

B

II

=dd

, pentru a caracteriza

func\ionarea tranzistorului la varia\ii mici [n jurul unui anumit punct de func\ionare. Evolu\ia acestui factordinamic [n func\ie de curentul de colector este similar` cu varia\ia celui static: are valori mici la valori foartecobor[te ale lui IC ]i trece printr-un maxim pu\in [nainte ca IC s` ajung` la valoarea maxm` admis`.

Observa\ie: Factorul dinamic de amplificare β AC este notat [n cataloage cu h fe .

Strict vorbind, [n modelele pentru varia\ii ar trebui s` apar` β AC iar la calculul polariz`rii (curentcontinuu) ar trebui s` utiliz`m factorul static βDC . Dar chiar pentru tranzistoare sortate de fabricant, ace]ti

factori au valori cu o [mpr`]tiere tehnologic` at[t de mare [nc[t distinc\ia dintre ei este un academism completinutil. Pentru c` nu-i ]tim dec[t foarte aproximativ, [i vom considera [ntodeauna egali ]i [i vom nota deaici [nainte, simplu, cu β .

Am ales anterior, ca m`rime de intrare, curentul IB . Dac` alegem ca m`rime de intrare tensiunea baz`-

emitor, [n regiunea activ` caracteristica de transfer respect` o lege exponen\ial`

I I eC sV VBE T= (4.19)

pe aproape ]apte decade de varia\ie a curentului; ca ]i p[n` acum, VT este poten\ialul termic, egal cu

aproximativ 25 mV la temperatura camerei. Astfel,

1E-3 0.01 0.1 1 10 1000

50

100

150

200 β

(mA)IC

DC

Fig. 4.25. Varia\ia factorului βDC cu

intensitatea curentului de colector la tranzistorul2N2222.


curentul de colector se dubleaz` la fiecare cre]tere cu 18 mV a tensiunii baz`-emitor ]i se multiplic` cu zecela fiecare cre]tere de 60 mV.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.80

20

40

60

80

100

curent de colector (mA)

tensiune baza-emitor (V)0.55 0.60 0.65

0.1

1

10

tensiune baza-emitor (V)

curent de colector (mA)

a) b)

VCE = 20 V

VCE = 10 V

Fig. 4.26. Caracteristica de transfer I f VC BE= ( ).

Reprezentat` [n coordonate liniare, caracteristica de transfer are forma din Fig. 4.26 a) ]i arat` c`modul [n care este controlat robinetul este foarte neliniar. Sensibilitatea controlului poate fi descris` cu unparametru diferen\ial, numit transconductan\` dinamic` (adesea numit simplu transconductan\`), definitprin viteza de cre]tere a curentului [n raport cu tensiunea de control

gdI

dVmC

BE= ; (4.20)

din rela\ia (4.19) se ob\ine imediat c` transconductan\a nu depinde dec[t de curentul de colector la careopereaz` tranzistorul,

gI

VmC

T= . (4.21)

Cu alte cuvinte,

dac` am stabilit valoarea curentului de colector, orice tranzistor are aceea]i transconductan\`, indiferent deparametrii s`i Is ]i β .

Diferen\ele [n parametrii Is ]i β afecteaz` numai modul [n care trebuie polariz`m tranzitorul pentru a ob\ine

curentul de colector IC dorit: modificarea lui Is va cere o tensiune VBE u]or diferit`, iar varia\ia lui β va

conduce la o alt` valoare a curentului absorbit de baza tranzistorului.Mai mult, a]a cum se vede [n desenul b) al figurii, modificarea tensiunii colector-baz` nu face dec[t s`

translateze caracteristica [n coordonate logaritmice, adic` s` afecteze numai factorul multiplicativ Is din

rela\ia (4.19). Astfel, modificarea transconductan\ei la varia\ia tensiunii de ie]ire coletor-baz` are loc numaiprin varia\ia curentului IC la care este operat tranzistorul, conform rela\iei (4.21).


2.D. Caracteristica de ie]ire

P`str[nd constant` tensiunea baz`-emitor, caracteristica de ie]ire I f VC CE= ( ) are forma din

Fig. 4.27 a). Constat`m c` valoarea curentului de colector este aproximativ independent` de VCE numai

pentru valori ale lui VCE mai mari de c[teva zecimi de volt. Aceasta este numit` regiune activ` normal`.

0.0 0.1 0.2

0

2

4

6

8

0 5 10

0

2

4

6

8

V CE (V) (V)

I C (mA) (mA)

0.0 0.1 0.20

2

4

6

8

0 5 100

2

4

6

8

(V) (V)

(mA) (mA)

a) Caracteristici de iesire la constant

V BE = 0.65 V

V BE = 0.63 V

= 0.65 V

= 0.63 V

b) Caracteristici de iesire la constant

I B = 34 Aµ

= 34 Aµ

= 17 Aµ

= 17 Aµ

regiunea de saturatie


I C

V BE

V BE

V CE

V BE

V CEV CE

I CI C

I B

I B

I B

I B

Fig. 4.27. Caracteristici de ie]ire [n conexiunea emitor comun.

Ce se [nt[mpl` la valori mai mici ? n plus fa\` de jonc\iunea baz`-emitor, tranzistorul mai are ojonc\iune [ntre baz` ]i colector, jonc\iune care [n mod normal este invers polarizat` (Fig. 4.28 a). C[ndtensiunea colector emitor coboar` sub 0.6 V, poten\ialul colectorului coboar` sub poten\ialul bazei (Fig. 4.28b) ]i jonc\iunea baz`-colector [ncepe s` fie direct polarizat`, iar la poten\iale de colector sub 0.1 V [ncepechiar s` se deschid`, curentul produs prin acest mecanism ie]ind prin terminalul de colector ]i diminu[ndprogresiv curentul total de colector, a]a cum se poate observa [n desenul b) al figurii.. n final, la VCE = 0,

curentul de emitor este practic nul [ntregul curent de baz` ie]ind prin colector (IC este negativ), ca [n desenul

c) al figurii. Trebuie notat c` nici [n acest regim tranzistorul nu se comport` ca ]i cum ar fi alc`tuit din dou`diode montate "spate la spate", jonc\iunea baz`-colector acapar[nd tot curentul de baz`, de]i cealalt`jonc\iune este polarizat` cu exact aceea]i tensiune. Deschiderea nedorit` a jonc\iunii colector baz`, cunoscut`sub numele de satura\ie, este un dezavantaj congenital al tranzistoarelor bipolare.


E

CBIB

IC

IE IC≅

V C V B>

regiunea activa normala

E

CBIB

IC

IE IC

V C V B<

=


CBIB

VC = = 0

E

V B ~~ 0.6 V

a) b) c)

VE

IE = 0

IC

Fig. 4.28. Intrarea [n satura\ie la cobor[rea poten\ialului de colector; poten\ialul bazei este men\inut la0.6 V.

n circuitele practice nu tensiunea baz`-emitor este men\inut` constant`, ci curentul de baz`(aproximativ constant). n aceste condi\ii, caracteristicile de ie]ire au forma din Fig. 4.27 b). Ele difer` decele trasate la VBE = cons. doar [n regiunea de satura\ie, deoarece acum poten\ialul bazei nu mai este fixat.Astfel, curentul de colector scade la zero pentru VCE = 0, f`r` s` mai ajung` la valori negative.

n oricare din situa\ii [ns`, [n regiunea de satura\ie sensibilitatea control`rii curentului de colector scadedramatic, astfel c` putem afirma c`, practic, acest curent [nceteaz` s` mai fie controlat de starea portului deintrare.

n conexiunea emitor comun, satura\ia tranzistorului se manifest` prin imposibilitatea de a controlacurentul de colector prin valoarea curentului de baz`.

S` ne ocup`m acum ]i de cealalt` regiune a caracteristicii de ie]ire, numit` activ` normal`. Spuneamc` aici practic curentul de colector nu depinde de tensiunea colector-emitor: la portul de ie]ire tranzistorulnu se comport` ca un rezistor. La o privire mai atent`, constat`m [ns` o u]oar` cre]tere a curentului decolector atunci c[nd cre]tem tensiunea colector-emitor. Ea apare la fel, indiferent dac` men\inemVBE = cons. sau IB = cons., deci nu putem da vina pe modificarea caracteristicii de intrare produs` devaria\ia tensiunii de ie]ire VCE . Cu IB = cons. curentul ar trebui s` fie I IC B= β , indiferent de valoare

tensiunii VBE ; rezult` c` aceast` [nclinare a caracteristicii de ie]ire este provocat` de varia\ia lui β cu VCE .

La conexiunea baz` comun`, p`str[nd curentul de intrare IE constant, curentul de colector se modific`

extrem de pu\in la varia\ia tensiunii de ie]ire. De ce oare [n conexiunea emitor comun efectul este mult maimare ? n cazul conexiunii baz` comun`, varia\ia curentului I IC E= α este produs` datorit` varia\iei

factorului α care se modific` extrem de pu\in, cam cu 0.01 % (10-4) pe volt. n cazul conexiunii emitorcomun, I IC B= β ]i, dac` men\inem constant curentul de baz`, curentul de colector se modific` numai

datorit` varia\iei factorului β . Am v`zut [ns` anterior c` o varia\ie a lui α provoac` o varia\ie relativ` a luiβ de β ori mai mare, deci de c[teva sute de ori mai mare. Vom avea, deci, pe fiecare volt de varia\ie atensiunii VCE , o varia\ie a curentului de colector de cel pu\in 1%; aceasta [nseamn`, pe un interval de zece

vol\i, o varia\ie apreciabil` : 10 %. Sursa de curent echivalent` este de o sut` de ori mai modest` dec[t aceeade la baz` comun`.


Presupun[nd o varia\ie liniar` (de gradul [nt[i) a lui β [n func\ie de VCE

β β= +0 1 V VCE EAb g (4.22)

cu valoarea VEA constant`, ajungem la o expresie a curentului de colector

I I I V V I I V VC B B CE EA C C CE EA= + = +β β0 00 0( ) ( ) (4.23)

unde am notat cu I IC B( )0

0= β curentul de colector "extrapolat" la VCE = 0 (Fig. 4.29 a).

0 5 100

2

4

6

8

V CE (V)

I C (mA) I B = 34 Aµextrapolare

rce =∆∆

V CE

I C

I C(0)

I C(0) rce

C

E

IC

V CE

a) b)

Fig. 4.29. Efectul Early [n conexiunea emitor comun.

Rezisten\a dinamic` [n regiunea activ` se ob\ine simplu

r VI

VI

ceCE

C

EA

C= =

∆∆ ( )0 (4.24)

fiind invers propor\ional` cu valoarea curentului de colector. n regiunea activ` normal`, portul de ie]ire

poate fi echivalat cu o surs` ideal` de curent de valoare I IC B( )0 = β [n paralel cu un rezistor cu rezisten\a

r V Ice EA C= ( )0 , ca [n Fig. 4.26 b).

Rela\ia (4.23) are ]i o consecin\` geometric`. S` calcul`m intersec\ia cu axa orizontal` a carateristiciiextrapolate; punem IC = 0 ]i ob\inem intersec\ia la

V VCE EA= − (4.25)

indiferent de valoarea lui IB . n consecin\`, a]a cum se poate vedea [n Fig. 4.30,

toate prelungirile caracteristicilor se [nt[lnesc [ntr-un singur punct, la tensiunea −VEA , numit` tensiune

Early; aceasta are valori de ordinul a o sut` de vol\i.


0 10

I C

extrapolariale regiuniiactive

VCE (V)VEA-

Fig. 4.30. Toate dreptele ob\inute prin extrapolarea caracteristicii din regiunea activ` se [nt[lnesc [ntr-unsingur punct.

Mai r`m[ne s` discut`m al treilea regim de func\ionare, acela [n care curentul de colector este nul.

C[nd curentul de colector este nul, tranzistorul se afl` [n regiunea de blocare (tìere).

Practic, cel mai adesea, blocareaeste realizat` prin aducerea la zero atensiunii baz`-emitor sau polarizareainvers` a acestei jonc\iuni. n principiu, [ns`, deoarece la tranzistoarele cu siliciu curentul rezidual de colector este neglijab

A]a cum se poate constata [nFig. 4.31, unde am reprezentat circuitul cuemitor comun ]i echivalentul sùhidraulic, c`derea de tensiune perezistorul din colector devine nul` (legealui Ohm) ]i poten\ialul colectorului devineegal cu cel al aliment`rii pozitive, ca ]icum tranzistorul nu ar exista.

Prin blocarea tranzistorului, poten\ialulsù de colector urc` la nivelul poten\ialului aliment`rii.

2.E. Satura\ia tranzistorului

Pentru trasarea caracteristicilor am legat [ntre colector ]i emitor o surs` ideal` de tensiune care s`men\in` [ntre aceste puncte tensiunea la valoarea dorit` de noi. Astfel, intrarea [n satura\ie s-a f`cut princobor[rea tensiunii acestei surse care, continuat`,, cobor` la zero curentul de colector.

a) b)


0 V

Valim+10 V

500 Ω

10V

+

-0 V

curent nul

robinet inchis

Fig. 4.31. Regimul de blocare.


n circuitele practice [n care tranzistorul este utilizat(]i nu studiat, cum am f`cut noi p[n` acum), lucrurile staucu totul altfel, a]a cum se vede [n Fig. 4.32. Diferen\aesen\ial` este c` sursa Valim nu mai men\ine constant`

tensiunea [ntre colector ]i emitor ci poten\ialul "[n amonte"de rezisten\a RC . Astfel, tensiunea colector emitor este

dictat` de legea lui Ohm

V V V I RCE C C C= = −alim . (4.26)

0 2 4 6 8 10

Valim

RCIC actVCE act

IB = 10 µ A

IB = 50 µ A

40 µ A

30 µ A

20 µ A

IB = 00

2

4

6

8

10

(mA)IC

(V)VCE

rezervor 1

rezervor 2


rezervor 1

rezervor 2

regiunea de saturatierobinetul nu mai controleaza debitul

robinet complet inchisregimul de blocare

regiunea activarobinetul controleaza debitul

MN

O

Fig. 4. 33. Regimurile de func\ionare a tranzistorului.

Putem urm`ri starea tranzistorului pe familia de caracteristici de ie]ire, prin metoda dreptei de sarcin`.Aceast` dreapt` intersecteaz` axele la Valim ]i V Ralim C , a]a cum se vede [n Fig. 4.33. S` presupunem c`

am stabilit curentul de baz` la 20 µA ]i punctul de func\ionare se g`se]te [n pozi\ia M de pe desen. Se vedec` tensiunea colector-emitor nu este [ntreaga tensiune de alimentare, cantitatea R IC C act⋅ c`z[nd pe

rezisten\a din colector, conform rela\iei precedente. M`rirea sau mic]orarea curentului de baz` deschide mai

+_

0.6 V

IB

IC IB= β

IE ≅ ICEB

+_

RC

VCValim

Valim

R B

Fig. 4.32. Circuit cu emitor comun.


mult sau mai pu\in robinetul de curent, modific[nd simultan valoarea curentului de colector ]i tensiuneacolector emitor (echivalentul nivelului din rezervorul 2). Aceasta este regiunea activ`. Aici curentul decolector ]i poten\ialul colectorului sunt controlate de curentul de baz`

I I

V V R I

C B

C C B

=

= −

β

βalim(4.27)

tranzistorul put[nd fi utilizat ca un amplificator.Dac` valoarea curentului de baz` este

adus` la zero, ]i curentul de colector devinezero, robinetul fiind complet [nchis (punctul Ode pe desen); [n consecin\`, poten\ialulcolectorului urc` la nivelul tensiunii dealimentare. Am ajuns, astfel, [n regimul deblocare.

Ce se [nt[mpl` [ns` dac` m`rim preamult curentul de baz` ? Deplas[ndu-se sprest[nga de-a lungul dreptei de sarcin`, punctulde func\ionare ajunge, [n pozi\ia N, [n regiuneade satura\ie a tranzistorului, figurat` cu undreptunghi ha]urat. Aici curentul de colector[nceteaz` s` mai depind` practic de curentul debaz`; degeaba cre]tem noi curentul de baz` dela 40 µA la 60 µA, punctul de func\ionarer`m[ne practic tot [n pozi\ia N, la un curent decolector foarte pu\in sub valoarea V Ralim C la

care dreapta de sarcina intersecteaz` axavertical`.

Dac` desen`m dependen\a curentului decolector [n func\ie de curentul de baz`, ob\inemgraficul din Fig. 34 a). ncep[nd de la o valoarea curentului de baz` egal` cu

IV

RBsatC

≅ alim

β (4.28)

curentul de colector [nceteaz` s` mai creasc`, plafon[ndu-se la o valoare de

IV

RC satC

≅ alim; (4.29)

astfel,

valorile curen\ilor (de baz` ]i de colector) la care tranzistorul ajunge [n satura\ie depind numai de circuitulextern.

0

5

10I C (mA)

I B0

Valim RC

a)

0

VC

I B0

Valim

b)

Valim R C( β )

Fig. 4.34. Satura\ia curentului de colector [n raport cu celde baz`.


Dac` [n locul rezisten\ei RC am fi legat colectorul direct la tensiunea de alimentare, dreapta de sarcin`

din Fig. 4.33 ar fi devenit vertical`, deoarece poten\ialul colectorului nu s-ar fi clintit de la Valim. n

consecin\`, oric[t am fi m`rit curentul de baz`, tranzistorul ar fi r`mas [n regiunea activ`, urm[nd ca la unmoment dat s` se distrug` prin supra[c`lzire, f`r` s` fi ajuns s` afle ce [nseamn` satura\ia.

n circuitele practice, tranzistorul poate ajunge [n satura\ie datorit` dipolului legat [n colector: lacre]terea curentului, pe acest dipol cade o tensiune din ce [n ce mai mare, tensiunea [ntre colector ]i emitorput[nd astfel sc`dea p[n` spre valoarea nul`.

n general, atunci c[nd o m`rime y , care depinde de o alta, x, [nceteaz` practic s` mai creasc` lam`rirea lui x, spunem c` avem satura\ia lui y [n raport cu x.

n cazul tranzistoarelor bipolare, prin satura\ie [n\eleem satura\ia curentului de colector [n raport cucel de baz`.

Vom vedea c`, parc` pentru a [ncurca lucrurile, [n cazul tranzistoarelor cu efect de c[mp, prinsatura\ie se [ntelege cu totul altceva.

Poten\ialul de la cap`tul inferior al rezisten\ei RC ar fi ajuns la zero ]i dac` am fi controlat curentul cu

un rezistor reglabil sau un tranzistor cu efect de c[mp. Ce aduce [n plus tranzistorul este impedimentul legatde jonc\iunea sa baz`-colector: la valori ale poten\ialului de colector de c[teva zecimi de volt aceasta sedeschide ]i [mpiedic` poten\ialul de colector s` ajung` la zero vol\i, a]a cum se observ` [n Fig. 4.4 b).Aceast` tensiune rezidual` poate fi mic]orat` pu\in prin m`rirea exagerat` a curentului de baz` (se spune c`tranzistorul intr` ad[nc [n satura\ie) dar ea r`m[ne ]i reprezint` o dificultate pentru unele tipuri de circuite cutranzistoare bipolare. De exemplu, la curen\i de zeci de amperi, valoarea ei ajunge spre 1 V, ceea ce produceo disipa\ie de putere de c[teva zeci de wa\i pe tranzistorul deschis.

2.F. Date de catalog

Utilizatorul g`se]te informa\iile relevante despre tranzistoarele pe care dore]te s` le foloseasc` [n foileda catalog oferite de produc`tor. De]i pentru unii dintre parametri sunt date defini\iile, majoritatea ausemnifica\ia acceptat` [n manuale sau alte publica\ii care standardizeaz` terminologia. Prezent`m, [ncontinuare, extrase din foia de catalog tranzistoarelor BC107 - BC108, limit[nd comentariile la m`rimile careau fost prezentate [n acest capitol sau a c`ror semnifica\ie este evident`. Al\i parametri importan\i vor fidiscuta\i [n capitolele ulterioare, c[nd ne vom ocupa de circuitele [n care sunt utilizate tranzistoarele.

Foaia de catalog [ncepe cu prezentarea succint` a tranzistoarelor: amplificatoare (aplica\ii liniare) deuz general (general purpose) la frecven\e joase (audio), av[nd [n plus specifica\ia particular` de zgomotredus (low noise). Urmeaz` apoi c[teva r[nduri din care afl`m c` tranzistoarele sunt de tip NPN, cu siliciu, ]itipul capsulei. Ni se dau, de asemenea, c[teva sugestii de aplica\ii, complementarele lor PNP ]i simbolutranzistorului. De aici afl`m un lucru important, care trebuie re\inut: ]i foile de catalog pot con\ine erori. naceast` foaie, de la SGS Thomson Microelectronics, simbolul desenat este al unui tranzistor PNP !.


Primele date numerice prezentate sunt acelea ale valorilor maxime admise; pentru exemplificare, nevom referi numai la BC107. Tensiunea invers` maxim` [ntre colector ]i baz` este de 50 V (este invers`pentru c` este definit` ca VCB0 ]i este pozitiv`, deci poten\ialul colectorului este mai ridicat). ntre colector ]i

emitor tensiunea nu trebuie s` dep`]easc` 45 V iar jonc\iunea baz`-emitor str`punge invers dac` cre]temtensiunea peste 6 V. Curentul maxim de colector este de 100 mA.


Valorile maxime pentru VCE ]i IC nu pot fi ob\inute simultan deoarece puterea disipat` (egal` cu

produsul lor) nu poate dep`]i 300 mW ]i aceasta numai dac` aerul ambiant nu are o temperatur` mai mare de25oC. Tranzistorul poate disipa o putere mai mare (750 mW) dac` reu]im s` men\inem capsula sub 25oC.Ultimele linii din tabel se refer` la temperaturile de depozitare ]i func\ionare. Afl`m astfel c` performan\elesunt garantate p[n` la o temperatur` a jonc\iunii de +175oC.

Urmeaz` grupa parametrilor lega\i de func\ionare, "caracteristicile electrice". Dintre ele men\ion`mcurentul rezidual colector baz`, care este de 15 nA dar cre]te la 15 µA dac` jonc\iunea ajunge la 150oC.Pentru jonc\iunea baz`-emitor este dat` c`derea de tensiune [n conduc\ie direct` VBE on( ) . Recunoa]tem apoi

factorii de amplificare a curentului [n conexiunea emitor comun, at[t cel static hFE DC= β c[t ]i cel dinamich fe AC= β . Observ`m c` pentru cel dinamic sunt date numai valorile tipice, nu ]i intervalul de [mpr`]tiere

tehnologic`.

Acela]i lucru se [nt[mpl` ]i pentru alt parametru important, impedan\a de intrare [n conexiune emitorcomun hie (la VCE constant). Situa\ia poate conduce la confuzii, mai ales pentru [ncep`tori, deoarece, [nrealitate, ace]ti parametri h fe ]i hie au aceea]i dispersie tehnologic` ca ]i factorul de amplificare static.


Enun\uri frecvent utilizate(at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i)

- n conexiunea cu emitorul comun, portul de intrare este [ntre baz` ]i emitor iar portul de ie]ireeste [ntre colector ]i emitor; colectorul este, astfel, comun celor dou` porturi.

- Cel mai frecvent, tranzistoarele bipolare sunt utilizate [n conexiunea emitor comun.- Portul de intrare se comport` ca o diod`, caracteristica sa fiind foarte pu\in afectat` de

valoarea tensiunii de ie]ire (colector-baz`).- Curentul de colector este controlat exponen\ial de tensiunea baz`-emitor; fiecare cre]tere de 60

mV produce o multiplicare cu 10 a curentului.- Sensibilitatea acestui control poate fi caracterizat` de un parametru dinamic numit

transconductan\`, g dI dVm C BE= ; transconductan\a nu depinde dec[t de valoarea curentului decolector [n jurul c`reia s-a efectuat mica varia\ie, conform rela\iei g I Vm C T= , unde VT este

tensiunea termic` (25 mV la temperatura camerei).- Pe de alt` parte, valoarea curentului de colector este propor\ional` cu valoarea curentului de

baz`. Factorul de amplificare β are valori peste o sut` ]i are o [mpr`]tiere tehnologic` mare.

- La portul de ie]ire, tranzistorul se comport` aproximativ ca o surs` de curent. Comportareaeste mai dep`rtat` de idealitate [n compara\ie cu situa\ia de la conexiunea baz` comun`, deoarecefactorul β sufer` varia\ii relative de β > 100 ori mai mari dec[t factorul α .

- Rezisten\a dinamic` a portului de ie]ire este invers propor\ional` cu valoarea curentului decolector, conform rela\iei r V Ice EA C= , unde parametrul VEA este tensiunea Early; aceast` tensiune

are valori de ordinul a 100 V.- Regimul [n care curentul de colector este controlat de starea portului de intrare se nume]te

regim activ normal.- Prin aducerea la zero a tensiunii baz`-emitor, curentul de colector se anuleaz` ]i tranzistorul

ajunge [n regimul de blocare; curentul de colector poate fi adus foarte aproape de zero ]i prin anulareacurentului de baz`.

- Dac` [n colector este montat` o rezisten\` ]i dac` valoarea curentului de baz` cre]te [n a]a fel[nc[t practic [ntreaga tensiune de alimentare s` cad` pe rezisten\`, tranzistorul ajunge [n regiunea desatura\ie, poten\ialul colectorului devenind practic egal cu cel al emitorului. n acest regim, curentul decolector nu mai este controlat de starea portului de intrare, fiind stabilit de circuitul extern laI V RC sat C≅ alim .


Termeni noi

- factorul β factorul de amplificare a curentului [n conexiunea emitor comun; este egal cu α α( )1− ]i are valori peste 100, prezent[nd o

[mpr`]tiere tehnologic` mare;- transconductan\` parametru dinamic ce caracterizeaz` sensibilitatea cu care

tensiunea baz`-emitor controleaz` curentul de colector, definit ca g dI dVm C BE= ;

- tensiune Early parametru care caracterizeaz` dependen\a liniar` a factorului β de

tensiunea colector baz`; este utilizat` la exprimarea rezisten\ei dinamice [ntre colector ]i emitor prin rela\ia r V Ice EA C= ]i

are valori de ordinul a 100 V;- satura\ie regim de func\ionare a tranzistorului [n care jonc\iunea colector-

baz` ajunge s` fie [n conduc\ie direct`; [n acest regim, curentul de colector nu mai este controlat de starea portului de intrare;

- curent de colector de satura\ie valoare a curentului de colector la care tranzistorul ajunge [n satura\ie; este stabilit` de circuitul extern I V RC sat C≅ alim ;

- tensiune de satura\ie colector valorea tensiunii colector-emitor [n regimul de satura\ie; depinde emitor de curentul de colector la care a ap`rut satura\ia- regim de blocare regim de func\ionare a tranzistorului [n care curentul de colector

este nul;


Probleme rezolvate

Problema 1. Circuitul din Fig. 4.35 reprezint` o variant` depolarizare, cunoscut` [n multe texte de limb` român` ca "polarizare fix`".

a) Tranzistorul are factorul β egal cu 200. Determina\i punctul

static de func\ionare.b) Relua\i calculul de la punctul precedent [n situa\iile [n care

factorul β are valorile 100 ]i, respectiv, 400. Formula\i o concluzie asuprasensibilit`\ii poten\ialului de colector la modificarea factorului β .

c) Revenind la valoarea de 200 a factorului β , calcula\i care este

efectul asupra poten\ialului de colector produs de modificarea cu 0.2 V atensiunii baz`-emitor (datorit`, de exemplu, [mpr`]tierii tehnologice acurentului Is).

Rezolvarea) Emitorul este legat la mas`, tranzistorul este din siliciu, deci poten\ialul bazei va fi pe undeva pe la

tensiunea de deschidere de 0.6 V. Legea lui Ohm aplicat` pe rezistorul din baz` conduce la valoareacurentului la acest terminal

IB = =12

114 V-0.6 V

1 M A

Ω. µ ;

de aici calcul`m imediat curentul de colector

I IC B= = ⋅β µ200114. A = 2.3 mA .

Pe rezisten\a din colector va c`dea tensiunea U RC= ⋅2.3 mA 3.3 k = 7.6 VΩ , a]a c` poten\ialul

din colector este

VC = 12 V-7.6 V= 4.4 V.

b) Cu valoarea 100 pentru factorul β ob\inem IC = 11. mA , U RC= 3 6. V ]i VC = 8 4. V.

Potentialul de colector nu mai este pe la jum`tatea tensiunii de alimentare ci s-a apropiat de aceasta; cu toateacestea, mai avem o rezerv` de 3.6 V p[na la regimul de blocare.

Relu`m acum calculele pentru β = 400. Curentul de colector rezult` IC = 4.6 mA , de unde rezult`

U RC= 152. V ]i ob\inem VC = 12 V-15.2 V= -3.2 V. A]a s` fie, un poten\ial negativ al colectorului

c[nd singura tensiune de alimentare pe care am o avem este pozitiv` ? Este clar c` am gre]it pe undeva.Refacem calculele ]i aritmetica ne conduce la acela]i rezultat VC = -3.2 V. Verific`m acum ce rela\ii am

aplicat la fiecare pas de calcul. Tensiunea baz` emitor este sigur de ordinul a 0.6 V; ]i dac` ar fi mai mic`poten\ialul de colector ar rezulta ]i mai negativ. Legea lui Ohm este cu siguran\` valabil` pe rezistorul de1 MΩ. Putem, deci, s` cont`m pe valoarea ob\inut` pentru curentul de baz`, el este de 114. Aµ .

Mai departe am scris c` I IC B= β ; este aceast` rela\ie valabil` [ntodeauna ? Recitim textul capitolului

]i descoperim c` aceasta nu se mai [nt[mpl` dac` tranzistorul intr` [n satura\ie. Putem chiar verifica faptulc` tranzistorul este [n satura\ie, exist` o valoare a curentului de colector fixat` de circuitul extern pe caretranzistorul nu o poate dep`]i; aceasta se calculeaz` simplu

+ 12 V

3.3 k1 M

Fig. 4.35.


IC sat= =12 V

3.3 k3.64 mA

Ω.

Or, cu rela\ia I IC B= β , curentul de colector a rezultat egal cu 4.6 mA. Concluzia este una singur`, cu

β = 400 tranzistorul este [n satura\ie. Din acest motiv, valoarea corect` pentru poten\ialul de colectornu este VC = -3.2 Vcum a ie]it din calcul, ci

V VC E≅ = 0 V;

de fapt, vom avea o tensiune de satura\ie de c[teva zecimi de volt.Dac` am fi calculat valoarea lui IC sat de la [nceput, [n momentul [n care am fi ajuns la

IC = 4.6 mA clopo\elul ar fi sunat imediat, anun\[ndu-ne c` tranzistorul a ajuns [n satura\ie. Este bine, deci,

s` [ncepem rezolvarea unei astfel de probleme prin calcularea curentului de colector la caretranzistorul ar ajunge [n satura\ie.

S` tragem acum concluziile. Am modificat factorul β de la 200 la 100 ]i, apoi, la 400. La prima

opera\ie, poten\ialul colectorului s-a deplasat [n sus cu 4 V, dar tranzistorul a r`mas [n regiunea activ`. Princre]terea la 400 [ns`, tranzistorul a intrat [n satura\ie ]i colectorul a ajuns la poten\ialul mase, tranzistorul[ncet[nd s` mai func\ioneze ca un robinet controlat. Morala este c` polarizarea tranzistorului cu orezisten\` direct de la alimentare este total contraindicat`, deoarece punctul static de func\ionaredepinde puternic de parametrul β .

c) Valoarea curentului de baz`, calculat [n ipoteza VBE = 0.6 V, a fost de 11.4 µA. Dac` tensiunea

baz`-emitor cre]te cu 0.2 V, noua valoare va fi

IB = =12

112 V-0.8 V

1 M A

Ω. µ

cu numai 1.8 % mai mic`. n consecin\`, rezisten\a din baz` stabile]tepractic valoarea curentului de baz`, indiferent de parametrii tranzistorului.O denumire mai corect` a acestei variante de polarizare ar fi "la curent debaz` fixat".

Problema 2. Circuitul din problema precedent` a fost modificat ]iacum arat` ca [n Fig. 4.36.

a) Pentru valoarea factorului β de 200, calcula\i punctul static de

func\ionare. ncerca\i s` g`si\i o cale de a reduce o parte a rezolv`rii lacazul precdent.

b) Afla\i ce se [nt[mpl` dac` factorul β se modific`, ajung[nd la 400.

Rezolvarea) De data aceasta nu mai cunoa]tem poten\ialul emitorului. Va

trebui s` aplic`m legea tensiunilor, efectu[nd o excursie de la nodul demas` prin rezisten\a din emitor, jonc\iunea emitor baz` ]i rezisten\a din baz`. Ecua\ia care rezult` este

0 1+ ⋅ + + ⋅I IE B k 0.6 V 1 M =12 VΩ Ω ;

dac` \inem seama c` I I IE C B≅ = β , rela\ia devine

+12 V

3.3 k1 M

1 k

+

-

+

-

+-0.6 V

Fig. 4.36.


0.6 V 1 M k =12 V+ + ⋅IB Ω Ωβ 1a fcare conduce la

IB = 12 V - 0.6 V1 M k

11.4 V1.2 M

AΩ Ω Ω+ ⋅

= =β

µ1

9 5. .

De aici urm`m calea cunoscut`, I IC B= =β 1 mA.9 , U RC= 6 3. V ]i

VC = 5 7. V . Pe de alt` parte, V IE E= ⋅1 k = 1.9 VΩ iarV VB E= + 0.6 V = 2.5 V . Circuitul, cu toate valorile calculate, este

prezentat [n Fig. 4.37.Dac` analiz`m rela\ia din care am ob\inut valoarea curentului de

baz`, constat`m c` rezisten\a din emitor apare multiplicat` cu β ]i

adunat` cu rezisten\a din baz`. Astfel, pentru calcularea curentului dinbaz` am putea considera c` ea dispare din emitor ]i apare, de β mai

mare, [n serie cu rezisten\a din baz`. Acest truc func\ioneaz` numaipentru calcularea curentului din baz`. Pentru etapele ulterioare alecalculului ea trebuie s` revin` la locul ei [n circuitul emitorului.

b) Cu β = 400 curentul de baz` se ob\ine

IB = 12 V - 0.6 V1 M k

11.4 V1.4 M

AΩ Ω Ω+ ⋅

= =β

µ1

8 14. .

Cre]terea lui β a mic]orat un pic curentul de baz` dar efectul cre]terii r`m[ne puternic asupra curentului decolector, care rezult` acum I IC B= =β 3 3. mA . n acest caz, pe rezistorul din colector ar c`dea tensiuneaU RC

= 10 7. V de unde ar rezulta c` poten\ialul colectorului ar fi la 1.3 V. Pe de alt` parte, pe rezistorul din

emitor ar c`dea 3.3 V ]i emitorul ar urca la VE = 3 3. V . Am ajuns la o solu\ie [n care poten\ialul colectorului

(1.3 V) este mai cobor[t dec[t al emitorului. Acest lucru este imposibil, deci tranzistorul a ajuns [nsatura\ie.

Problema 3. n circuitul din Fig. 4.38 s-a utilizat un alt mod de polarizare al bazei. Consider[nd [ncontinuare c` β = 200,

a) decide\i dac` divizorul rezistiv din baz` poate fi consideratne[nc`rcat ]i calcula\i punctul de static func\ionare.

b) Relua\i punctul precedent, pentru β = 400. Formula\i o concluzie.

Rezolvarea) Rezisten\a echivalent` a divizorului rezistiv este pu\in mai mic`

dec[t valoarea rezisten\ei de 10 kΩ. Dac` dori\i o valoare mai precis`,calcula\i combina\ia lor paralel ]i ob\ine\i 8.3 kΩ. Din rezolvarea problemeiprecedente am [nv`\at c`, pentru calcularea curentului de baz`, putem s`deplas`m rezisten\a din emitor [n circuitul bazei, dac` o multiplic`m cu β .

Avem, astfel, o valoare pentru rezisten\a care constituie sarcina divizorului,ea este β ⋅1 k = 200 kΩ Ω , de 2008 3 24. ≅ de ori mai mare dec[t

rezisten\a echivalent` a divizorului. n concluzie, cu o aproxima\ie de 4 %putem considera c` divizorul este operat [n gol. Prezen\a c`derii de tensiune pe jonc\iunea baz`-emitor

+12 V

3.3 k1 M

1 k

1.9 mA

1.9 V

5.7 V

2.5 V

9.5 µ A

Fig. 4.37.

+12 V

3.3 k

10 k 1 k+

-

+-0.6 V

50 k

Fig. 4.38.


contribuie suplimentar la mic]orarea curentului extras din divizor, astfel c` eroarea este chiar mai mic` de4 %.

n continuare, readucem rezisten\a din emitor la locul ei. Apoi calcul`m tensiunea de ie]ire [n gol adivizorului, prin regula de trei simpl`. Ea este identic` cu poten\ialul bazei tranzistorului

VB = ⋅10 k

60 k V= 2 V

ΩΩ

12 ;

de aici calcul`m poten\ialul emitorului V VE B= − 0.6 V=1.4 V ]i, cu legea lui Ohm, curentul de emitor,care este practic egal cu cel de colector, IC = 1.4 mA . Urmeaz` la r[nd tensiunea pe rezisten\a din colector

VRC = 4.6 V ]i, [n final, poten\ialul colectorului VC = 12 V-4.6 V= 7.4 V. Colectorul este mai sus cu

6 V dec[t emitorul, tranzistorul este departe de regimul de satura\ie.b) Acum divizorul rezistiv "vede" [n locul rezisten\ei de sarcin` de 200 kΩ una de valoare dubl`,

egal` cu 400 kΩ . Dac` [n cazul anterior cuplarea rezisten\ei de sarcin` cobora cu 4 % tensiunea de ie]ire(fa\a de cea de mers [n gol), acum cobor[rea este numai de 2 %. n concluzie, modificarea lui β de la 200 la

400 produce numai o cre]tere a poten\ialului bazei de 2 % din tensiunea [n gol a divizorului, adic` de numai0.04 V. Aceea]i cre]tere se va reg`si ]i [n emitor, provoc[nd o cre]tere a curentului de colector de numai 0.04mA, adic` sub 3 %. n consecin\`, poten\ialul de colector va cobor[ cu 0.13 V de la valoarea anterioar` de 7.4V.

S` ne aducem aminte c`, [n cazul circuitulor de la problemele 1 ]i 2, aceea]i cre]tere a factorului βaducea tranzistorul [n satura\ie, pe c[nd acum modificarea poten\ialului de colector este practicneglijabil`. Circuitul de polarizare din Fig. 4.38, care fixeaz` poten\ialul bazei ]i nu curentul de baz`, estecircuitul care asigur` predictibilitatea punctului static de func\ionare [n condi\iile [mpr`]tierii mari afactorului β .


Probleme propuse

P 4.2.1. ncerc[nd s` realiza\i circuitul din Fig. 4.39, lua\i untranzistor din cutie ]i [l monta\i. S` presupunem c` tranzistorul areβ = 200. Calcula\i curentul de baz`, curentul de colector ]i

poten\ialul colectorului. Este el [n regiunea activ` sau [n satura\ie ?P 4.2.2. Lu[nd un alt exemplar din aceea]i cutie trimis` de

fabricant, tranzistorul are, s` zicem, β = 450. Relua\i problema

precedent` ]i stabili\i [n ce regiune de func\ionare se g`se]tetranzistorul.

P 4.2.3. Stabili\i acum [n ce interval trebuie s` fie factorul βpentru ca poten\ialul colectorului s` nu se apropie la mai pu\in dedoi vol\i de poten\ialul aliment`rii ]i, de asemenea, de poten\ialulmasei. n cutia cu tranzistoare, valorile lui β s[nt distribuite cu egal` probabilitate [ntre limitele 200 ]i 450.

Dac` dorim s` realiz`m un amplificator dup` schema precedent`, c[t la sut` dintre amplificatoarele realizatetrebuie aruncate pentru c` nu [ndeplinesc condi\ia asupra poten\ialului de colector enun\at` mai sus ?

P 4.2.4. Utiliz[nd circuitul din Fig. 4.40, princomutatorul K dorim s` control`m aprinderea becului, careare valorile nominale de func\ionare 0.2 A ]i 4.5 V. n ceeace prive]te tranzistorul, cont`m pe un factor β de cel pu\in

50. C[t ar trebui s` fie valoarea rezisten\ei din baz` pentru cabecul s` func\ioneze normal ? Dar dac` ne lu`m o rezerv`,pentru orice eventualitate (de exemplu, cu filamentul recebecul absoarbe mai mult curent dec[t cel nominal) ?

P 4.2.5. n circuitul din Fig. 4.41, tensiunea surseiideale EB a fost ajustat` fin astfel [nc[t V VC = alim2. O

[nc`lzire cu 8o C a tranzistorului este echivalent` cu ocre]tere de aproximativ 18 mV a tensiunii baz` emitor (prin

modificarea parametrului Is din ecua\ia (4.19)). Utiliza\i ecua\ia

citat` ]i calcula\i de c[te ori cre]te curentul de colector. Mai r`m[netranzistorul [n regiunea activ` ? Este o idee bun` s` polariz`mtranzistorul [n acest mod ?

P 4.2.6. Circuitul de la problema precedent` mai are undezavantaj. Imagina\i-v` c` EB sufer` o varia\ie necontrolat`, de

scurt` durat`, de la aproximativ 0.6 V la 1 V. Calcula\i de c[te ori arcre]te curentul de colector dac` rezisten\a RC ar fi nul` (sau [n locul

ei s-ar afla o diod`). Care ar fi consecin\ele ?P 4.2.7. n Fig. 4.42 ave\i schema unui amplificator cu emitor

comun, cu dou` etaje. Ne vom ocupa numai de polarizare (regimul decurent continuu) a]a c` nu trebuie s` lua\i [n seam` condensatoarele,ele nu afecteaz` regimul de curent continuu. Nu le ]terge\i de peschem`, obi]nui\i-v` s` lucra\i cu ele acolo ]i s` le ignora\i c[nd

vorbi\i despre polarizare. Mai [nt[i stabili\i sensurile curen\ilor ]i estima\i c[t de mari ar putea fi ([n cea maidefavorabil` situa\ie) curen\ii de colector.

P 4.2.8. tiind c` ambele tranzistoare au factorul de amplificare β mai mare de 100, decide\i dac`

divizorul din baza lui T1 poate fi considerat ne[nc`rcat. Calcula\i apoi, pentru primul tranzistor, poten\ialul

560 Ω220 k Ω

+10 V

Fig. 4.39 .

+5 V

bec incandescentavalori nominale0.2 A; 4.5 V

RB

K

Fig. 4.40.

+_

0.6 V

EB

RC

VC

Valim

Fig. 4.41 .


bazei, poten\ialul emitorului ]i curentul de colector.Scrie\i aceste valori pe schem`, obi]nui\i-v` s`lucra\i [n principal pe schem` ]i s` scrie\i c[t maipu\ine ecua\ii sub form` literal`.

P 4.2.9. Pentru determinarea poten\ialului decolector al lui T1 ar trebui s` cunoa]tem curentulde baz` al lui T2, pe care nu [l ]tim. Pute\i afirma,[ns`, c` el nu este mai mare dec[t o anumit`valoare, pentru c` ave\i deja o estimare maximal` acurentului de colector. Sunte\i, astfel, [n m`sur` s`afla\i ]i poten\ialul de colector al primuluitranzistor.

P 4.2.10. n sf[r]it, determina\i, pentru aldoilea tranzistor, poten\ialul de emitor, curentul decolector ]i poten\ialul colectorului.

P 4.2.11. Am v`zut c` putem considera curentul de colector cafiind controlat de tensiunea baz`-emitor, parametrul care depinde detranzistorul particular pe care [l folosim fiind factorul multiplicativ Is.

Acest fapt are o aplica\ie important` [n circuite ca cel din Fig. 4.43,,numit oglind` de curent.

a) Determina\i curentul de colector al tranzistorului T1 (curen\iide baz` se pot neglija).

b) Consider[nd c` cele dou` tranzistoare sunt "[mperecheate",av[nd aceea]i valoare pentru parametrul Is, calcula\i curentul de

colector al tranzistorului T2.c) Rezisten\a sarcinii se modific`; cu ce este echivalent

tranzistorul T2 ?d) Care este complian\a de tensiune a sursei de curent ?e) Este aceasta o surs` cu rezisten\` dinamic` mare ? Revede\i

caracteristica de ie]ire cu VBE = cons.

P 4.2.12. Circuitul din Fig. 4.44 este o oglind` de curentperfec\ionat`.

a) Calcula\i curentul de colector al tranzistorului T1.b) Determina\i curentul de colector al tranzistorului T2,

consider[nd tranzistoarele identice.c) Estima\i cu c[t se modific` valoarea curentului de colector al

tranzistorului T2 dac` parametrul s`u Is devine de 10 ori mai mare.

Formula\i o concluzie [n privin\a predictibilit`\ii curentului dac`tranzistoarele nu sunt [mperecheate.

d) Calcula\i c[t este acum complian\a de tensiune a sursei decurent.

e) Ce se [nt[mpl` cu valoarea rezisten\ei dinamice a sursei decurent ? Indica\ie: poten\ialul bazei lui T2 este men\inut constant dartensiunea baz` - emitor nu mai este constant`; a\i [nt[lnit o situa\iesimilar` atunci c[nd am discutat conexiunea cu baz` comun`.

90 k

+20 V

in out

10 k 1.5 k

5 k2.2 k

2.5 k

T1

T2

Fig. 4.42.

+10 V

sarcina4.7 k

T1 T2

Fig. 4.43.

+10 V

sarcina4.2 k

T1 T2

500 Ω 500 Ω

Fig. 4.44.


Lucrare experimental`

Preg`tirea experimentelor

Desena\i-v` pe caiet circuitul din Fig. 4.45. pe care [l ve\i utiliza pentru trasarea caracteristicilorstatice. Determina\i sensurile curen\ilor ]i polarit`\ile necesare pentru aparatele de m`sur`. Realiza\i apoicircuitul.

+_

VA2+_

BIR Bµ A

V VBE

VI

mA

IC

0 - 10 VVA1

apI

E

C

BPot.

Fig. 4.45 Circuit pentru trasarea caracteristicilor statice.

Sursa VA2 , legat` direct [ntre colector ]i emitor, va men\ine constant` tensiunea VCE iarmiliampermetrul va m`sura valoarea curentului de colector. Sursa VA1 ]i rezisten\a RB vor asigura

deschiderea jonc\iunii baz`-emitor. Curentul de baz` poate fi reglat din valoarea acestei surse ]i, mai fin, cupoten\iometrul Pot. montat pe plan]et`. Voltmetrul m`soar` tensiunea tensiunea VBE [ntre baz` ]i emitor.

Cunosc[nd tensiunea de deschidere (tranzistorul este cu siliciu), stabili\i scala pe care va trebui utilizatvoltmetrul ]i nota\i aceasta pe schema desenat`.

Pentru determinarea curentului de baz` a fost intercalat un microampermetru. El nu m`soar` [ns`curentul de baz` ci suma dintre acesta ]i curentul prin voltmetru

I IV

Rap BBE

V= + ; (3)

al doilea termen fiind semnificativ, va trebui s` face\i corec\ia necesar`. Determina\i rezisten\avoltmetrului, decupl[nd baza tranzistorului (leg[nd microampermetrul numai la voltmetru) ]i ajust[nd sursaVA1 astfel [nc[t tensiunea pe voltmetru s` fie pe scala de 1V, acolo unde voltmetru va fi utilizat. Compara\i

valoarea aflat` cu cea [nscris` pe aparat.

Experimentul 1. Caracteristica de intrare

Caracteristica de intrare este dependen\a curentului de baz` [n fnc\ie de tensiunea baz`-emitor.Ea trebuie trasat` men\in[nd constante anumite condi\ii de la portul de ie]ire. Cum valoarea curentului decolector este controlat` de la intrare, se men\ine constant` tensiunea colector-emitor, care este parametrul lacare se traseaz` caracteristica. Modific[nd valoarea parametrului, ob\inem familia de caracteristici de intrare.

Vom modifica valoarea curentului de baz` [ntre 0 ]i 100 µA. Presupun[nd c` tranzistorul are un factorde amplificare de 100, estima\i valorile curentului de colector ]i alege\i o scal` adecvat` pentrumiliampermetrul din colector. Stabili\i la 5 V tensiunea VCE ]i varia\i curentul de baz` cu ajutorul

poten\iometrului, observ[nd deschiderea jonc\iunii baz` emitor ]i faptul c` ea controleaz` curentul de


colector. nainte s` trasa\i caracteristica, determina\i aproximativ tensiunea de deschidere ]i factorul β .

Pentru a trasa caracteristica de intrare [n scar` liniar`, determina\i 10-12 puncte experimentale, pe c[t posibilcu valori IC echidistante. M`sura\i, [n acela]i timp, ]i valorile curentului de colector, trec[nd datele [ntr-un

tabel de forma

VBE (V) Iap (µA) I V RV BE V= (µA) I I IB ap V= − (µA) IC (mA) β = I IC B

0 0 0 0 0

Completa\i apoi tabelul, f`c[nd m`sur`tori la valori mult mai mici ale curen\ilor. Utiliza\i, pentruvalorile curentului de colector, secven\a 5 mA, 1 mA, 0.5 mA, 0.2 mA, 0.1 mA, 0.05 mA, 0.02 mA, 0.01mA, 0.005 mA, 0.002 mA, 0.001 mA deoarece aceste valori vor ap`rea practic echidistante pe scaralogoritmic`.

Modifica\i acum tensiunea colector-emitor la valoarea 10 V ]i trasa\i din nou caracteristica de intrare(numai m`sur`torile pentru scar` liniar`).

Reprezenta\i, apoi, grafic, [n coordonate liniare, [ncep[nd de la VBE = 0 , caracteristica I f VB BE= ( )m`surat` la VCE = 5 V. Se comport` portul de intrare ca un rezistor ? Pentru mici varia\ii [n jurul unui

punct de func\ionare, putem introduce rezisten\a dinamic` r V Ibe BE B= ∆ ∆ . Calcula\i valorile ei la curent

de colector de 1 mA ]i 10 mA. Desena\i pe acela]i grafic ]i caracteristica ridicat` la VCE = 10V . Cum depinde comportarea portului

de intrare de tensiunea de la portul de ie]ire ? Caracteriza\i cantitativ aceast` dependen\`, aleg[ndu-v` oanumit` valoare a curentului de baz` (de exemplu IB = 50 Aµ ) ]i m`sur[nd cu c[t s-a modificat tensiuneabaz`-emitor la modificarea tensiunii colector emitor; estima\i factorul ∆ ∆V VBE CE .

Experimentul 2. Caracteristicile de transfer

ncepe\i cu caracteristica I f IC B= ( ). Ave\i deja valori m`surate pentru trasarea acestei caracteristici.

desena\i-o ]i verifica\i c` ea este apropiat` de o linie dreapt`. Este util [n practic` s` cunoa]tem cum se abateun tranzistor de la caracteristica ideal`. Pentru aceasta, va trebui s` calcula\i valorile factorului β ]i s` lereprezenta\i [n func\ie de curentul de colector β = f IC( ), deoarece acest curent este cunoscut [n aplica\ii.

Utiliza\i o scar` logaritmic` pentru curentul de colector. Formula\i o concluzie asupra dependen\ei factoruluide amplificare [n curent β .

i pentru dependen\a I f VC BE= ( ) ave\i deja datele. Mai [nt[i reprezenta\i-o [n coordonate liniare, cu

tensiunea [ncep[nd de la zero. R`spunde\i la [ntrebarea: este tranzistorul bipolar un element de circuit liniar ?Determina\i transconductan\a sa

g I Vm C BE= ∆ ∆ .

la IC = 1 mA ]i IC = 10 mA ]i verifica\i c` ea respect` rela\ia g I Vm C T= .

Ne a]tept`m ca dependen\a s` fie descris` de rela\ia I I eC SV VBE T= . Pentru a verifica aceasta,

desena\i din nou caracteristica, cu o scar` logaritmic` pentru curent. (aten\ie, pe axa logaritmic` "etichetele"trebuie s` arate valoarea curentului ]i nu a logaritmului !); alege\i o scar` liniar` convenabil` pentru tensiune,chiar dac` nu [ncepe de la zero. Ce form` are graficul ]i ce concluzie pute\i trage asupra dependen\eiI f VC BE= ( ) ? Determina\i pe ce interval de varia\ie a tensiunii baz`-emitor curentul variaz` cu o decad`(multiplicare cu 10). Din aceast` valoare, determina\i valoarea lui VT ]i apoi, utiliz[nd un punct de pe grafic,calcula\i valoarea parametrului Is .


0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.8010 -3

10 -2

10 -1

10 0

10 1

curentul de colector (mA)

tensiunea baza-emitor (volti)

Desena\i pe acela]i grafic ]i dependen\a curentului de baz` (caracteristica de intrare). Are curentul debaz` aceea]i comportare ca cel de colector ?

Experimentul 3. Caracteristica de ie]ire

Deconecta\i voltmetrul din baza tranzistorului ]i lega\i-l [ntre colector ]i emitor. Fixa\i IB la o anumit`

valoare (s` zicem 10 µA) ]i mic]ora\i gradual tensiunea VCE de la 10 V p[n` la 0 V, urm`rind evolu\ia

curentului de colector. Dac` valoarea curentului de baz` are tendin\a s` se modifice fa\` de cea stabilit` la[nceput, reajusta\i-i valoarea cu ajutorul poten\iometrului de pe plan]et`.

Reface\i experimentul pentru alte c[teva valori ale curentului de baz` (20 µA, 30 µA, 40 µA) ]i

desena\i aceste dependen\e I f VC CE I constB= =( ) . pe acela]i grafic, ob\in[nd o parte din familia de

caracteristici de ie]ire. Estima\i din grafic, pentru fiecare din caracteristicile de ie]ire, valoarea rezisten\edinamice [n regiunea activ`. Cum depinde ea de valoarea curentului de colector ? (desena\i un grafic)Determina\i, [n final, valoarea tensiunii Early, fie din valoarea rezisten\ei dinamice, fie prin extrapolareacaracteristicilor.

Experimentul 4. Satura\ia tranzistorului [n circuitele practice

C[nd am trasat caracteristica de ie]ire am legat o surs` ideal` de tensiune [ntre colector ]i emitor, surs`care men\inea tensiunea [ntre aceste puncte la valoarea dorit` de noi. Astfel, intrarea [n satura\ie s-a f`cut princobor[rea tensiunii acestei surse, care continuat`, cobor` la zero curentul de colector. n circuitele practice[n care tranzistorul este utilizat (]i nu studiat), lucrurile stau cu totul altfel. Diferen\a esen\ial` este c` [ntresursa VA2 ]i colector se intercaleaz` intercaleaz` o rezisten\` RC .

Stabili\i la 10 V tensiunea de alimentare VA2 ]i modifica\i circuitul, cupl[nd o rezisten\` de colector de

10 kΩ . Calcula\i c[t trebuie s` fie valoarea curentului de colector la satura\ie. M`ri\i, apoi, valoarea


curentului de baz` ]i observa\i ce se [nt[mpl` cu valoarea curentului de colector ]i cu tensiunea colectoremitor. Dup` ce VCE coboar` sub 1 V, m`sura\i dependen\a acesteia [n func\ie de curentul de baz`

V f ICE sat B= ( ); cre]te\i curentul de baz` p[n` la 100 µA.

+_

BIR B

µ A V VCE

mA

IC

+_

Va210 VVa1

E

C

BPot.

RC

Fig. 4.46.

Schimba\i apoi rezisten\a de colector cu una de 1 kΩ. Calcula\i curentul de colector la care se va saturaacum tranzistorul ]i reface\i m`sur`torile V f ICE sat B= ( ). De data aceasta m`ri\i curentul de baz` p[n` la 1

mA. Desena\i apoi, pe acela]i grafic, ambele dependen\e. Pentru curentul de baz` alege\i o scar` logaritmic`iar pentru tensiunea colector emitor utiliza\i o scara liniar`, [ntre zero ]i 1 V. Pe fiecare din curbe nota\ivaloarea curentului de colector la care a fost trasat`.

10µ 100µ 1m0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

A A A

I B

V CE sat (V)


Pagini distractive

Am v`zut, la sf[r]itul sec\iunii 4.1, c`, la instigarea unor autori "alternativi" 3, Ministerul Educa\ieiNa\ionale [i ordon` bietului tranzistor bipolar (Ordinul nr. 4055 din 26.06.200 prin care avizeaz` manualul)s` aib` o jonc\iune [ntre colector ]i emitor, s` se satureze la valoarea maxim` admis` [n catalog pentruIC ]i, cel mai dureros, s` intre [n conduc\ie la un scurtcircuit [ntre baz` ]i emitor. Supliciul la care e

supus acest dispozitiv onest nu se opre]te, [ns`, aici. Cum speciali]ti de calibrul autorilor se pare c` se g`sescdin bel]ug pe la noi, suntem delecta\i cu o bijuterie de problem`, propus` la Olimpiada na\ional` de fizic`,1998. Pentru c` al treilea punct al problemei nu cere dec[t reproducerea unor cuvinte de prin manuale, nevom referi numai la primele dou`.

"ntr-un etaj de amplificare cu un tranzistor [nmontaj cu emitorul comun (vezi figura al`turat`) estefolosit un tranzistor n-p-n. Pentru polarizarea bazeitranzistorului se folose]te un divizor compus dinrezistoarele R1 ]i R2. n lipsa semnalului electric de la

bornele de intrare 1 - 1', pentru punctul static defunc\ionare, situat pe por\iunea liniar` a caracteristicii decurent I f UC CE= ( ), se consider` cunoscu\i parametriielectrici: IE = 5 mA , IB = 10 Aµ , UBE = 0.6 V ,R2 = 6 kΩ , RC = 1 kΩ, E = 12 V , r = 0, RE = 1 Ω ".

Pentru a u]ura discu\ia, ne-am permis s` trecem peschema original` valorile unora dintre "parametrii electrici" (rezisten\ele ]i curentul de emitor). S` citimacum cerin\ele problemei ]i s` le rezov`m cu ceea ce ]tim noi despre tranzistoare.

"a) Ce valoare are tensiunea UCE ([ntre colectorul ]i emitorul tranzistorului) dac` [ntrerup`torul Keste [nchis ]i ce valoare va avea curentul din baz` c[nd K este deschis, dac` UBE ]i IE se men\in practic la

acelea]i valori."Sunt, de fapt, dou` chestiuni. Tensiunea UCE rezult` imediat dup` ce calcul`m c`derile de tensiune pe

rezistorul din emitor (5 mA 1 = 5 mV⋅ Ω ) ]i pe cel din colectorU RC

= (5 mA -10 A) 1 k = 4.99 V 5 Vµ ⋅ ≅Ω . Cum tensiunea de alimentare este de 12 V, [ntre colector ]i

emitor mai r`m[ne s` cad` 12 V - 5 V - 5 mV V 7 V= ≅6 995. .A doua chestiune se refer` la situa\ia [n care contactul K se [ntrerupe (K deschis): ni se cere valoarea

curentului din baz`, d[ndu-ni-se informa\ia suplimentar` c` "UBE ]i IE se men\in practic la acelea]i valori".

tim c` tensiunea pe jonc\iunea baz`-emitor nu se va modifica semnificativ dar autorul problemei [i ceretranzistorului s`-]i men\in` practic neschimbat curentul de emitor c[nd contactul K se [ntrerupe ! C`doar de aia este el autor na\ional de probleme.

Ce ar face totu]i un tranzistor umil, dac` ar fi l`sat [n pace de autorul respectiv ? Observ`m, mai [nt[ic` nu ]tim valoarea rezisten\ei R1; o putem calcula, deoarece cunoa]tem curentul de baz` ]i poten\ialulbazei. Prin R2 curge la mas` un curent de 0.605 V 6 k mAΩ = 0 101. , iar rezisten\a R1 trebuie s`

furnizeze suplimentar ]i curentul bazei, deci [n total 0.101 mA + 0.01 mA = 0.111 mA . Cum pe ea cade12 V - 0.605 V = 11.4 V , ea are valoarea 11.4 V 0.111 mA k= 103 Ω . Tot din datele problemei putemafla factorul β al tranzistorului, este 5 mA 10 Aµ + = ≅1 501 500 . Acum avem tot ce ne trebuie.Tensiunea de alimentare cade pe R1, pe jonc\iunea baz`-emitor ]i pe rezistorul din emitor. Astfel, curentul

de baz` se ob\ine prin ( (1 V - 0.6 V) 1 k + 500 1 ) = 0.11 mA2 03 Ω Ω⋅ Cu un asemenea curent de baz`,

dac` tranzistorul ar mai r`m[ne [n regiunea activ`, curentul de colector ar trebui s` fie de 55 mA. Darrezisten\a din colector, de 1 kΩ, nu permite curentului de colector s` ajung` dec[t pe la 12 mA, unde

3***, "Fizic`", Manual pentru clasa a X-a, Ed. Teora Educa\ional, Bucure]ti, 2000.

1 Ω

6 k

1 kRC

R1

R2

RE

1

1'

2

2'

+ 12 V

5 mA

K

+-0.6 V


tranzistorul intr` [n satura\ie. Cum rezisten\a din emitor este extrem de mic` (numai Dumnezeu poate ]tide ce a ales-o a]a autorul, vom reveni [n alt capitol asupra acestui lucru), [n regim de satura\ie emitorul st` pela 12 mV, poten\ialul bazei este pe la 0.612 mV ]i curentul de baz` este doar cu o miime mai mic dec[t celcalculat anterior.

n concluzie, c[nd contactul K este [ntrerupt, tranzistorul este saturat la IC ≅ 12 mA iar curentul de

baz` este de 0.11 mA. Curentul de emitor este, deci, de 12.1 mA. Autorul problemei []i [ncordeaz`, [ns`,mu]chii ]i oblig` tranzistorul s` men\in` curentul de emitor "practic" la aceea]i valoare, adic` la 5 mA.

S` ne ocup`m acum ]i de chestiunea de la punctul urm`tor."b) Se aplic` un semnal electric de tensiune u U ti = sin( )ω , U E<< , la bornele de intrare 1 -1' ale

etajului de amplificare (peste valoarea de regim static, se suprapune componenta de tensiune variabil` [ntimp). Se cere s` se exprime dependen\a tensiunii de la bornele de ie]ire 2 -2' [n func\ie de valorileinstantanee ale curentului de colector iC , c[nd K este [nchis. Condensatoarele las` semnalul variabil s`

treac`."Ne minun`m un pic de faptul c`, pentru a pune condi\ia de semnal mic, autorul problemei compar`

amplitudinea semnalului cu tensiunea de alimentare. Noi ]tiam c` numai 18 mV varia\ie a tensiunii baz`-emitor dubleaz` curentul de colector ]i duce tranzistorul aproape de satura\ie. 18 mV nu [nseamn` semnalmic pentru acest amplificator, de]i este de peste 600 de ori mai pu\in dec[t tensiunea de alimenatare. Numerit` s` ne minun`m, totu]i, prea tare; fa\` de men\inerea constant` a lui IE de la punctul precedent aceast`

este o ]otie nevinovat`. Ne mai [ntreb`m numai de ce e nevoie s` ]tim forma semnalului de intrare dac`dependen\a cerut` trebuie exprimat` [n func\ie "de valorile instantanee ale curentului de colector". S`r`spundem, totu]i la [ntrebarea problemei. Consider[nd varia\iile de la regimul de repaus, [ntoteauna∆ ∆V R IC C C= − ; dac` varia\iile sunt de frecven\` suficient de mare, la ie]irea 2 -2' tensiunea instantanee

va fi egal` [n orice moment cu abaterea instantanee a poten\ialului colectorului de la regimul de repausu R IC C2 2− = −' ∆ . Aici ∆ I iC c= este abaterea instantanee a curentului de colector de la valoarea derepaus. Dac` dorm s` apar` valoarea instantanee a curentului de colector iC , va trebui s` o punem sub forma

u R i t IC C CQ2 2− = − −' ( ) unde ICQ este curentul de colector [n repaus.

i acum s` [ncet`m comentariile ]i s` admir`m rezolvarea dat` de autorii manualului:

Tranzistorul este "u]or [n conduc\ie" ]i nu se satureaz` la [ntreruperea lui K pentru c`, dup` ]tiin\aautorilor manualului, aceasta are loc la valoarea maxim` admis` a lui IC . Pentru calculul tensiunii de ie]ire

sunt scrise o mul\ime de rela\ii complet inutile. Un lucru extraordinar ne lumineaz` spre sf[r]it: autorii auaflat c` intensita\ile curen\ilor de emitor ]i de colector sunt "de acela]i ordin de m`rirme".

cap.4 tranzistoare bipolare

Documents