應用電子學實驗講義(I)
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E IE
C IC
Ebers-Moll 模型及 BJT 直流電路
實驗目的
了解雙極電晶體(bipolar junction transistor, BJT)之 Ebers-Moll 模型及操作模式(operation modes)，了解各種不同偏壓方式之電路特性。
實驗儀器
電晶體 2N3904 一枚；
電阻 若干枚；
電容 4.7μF 一枚。
精密電阻 1k 一枚。
預習問題
1. 在步驟<一>中需用到「二極體的特性」實驗裡的「二極體之順向偏壓特性曲線」步驟之測 試電路，請將這一個電路圖畫出來。
2. Ebers-Moll 模型可以定義電晶體四格不同的操作模式，請問是哪四種？而這四種模式，
電晶體的 BE 與 BC 接面的偏壓是在甚麼狀態？
3. 請利用 PSpice 模擬實驗程序<六>的電路，預測此程序的結果為如何？
※用電流源 Ib取代 VBB及 100kΩ,使用 DC Sweep 的巢狀分析。Primary Sweep 為電壓源(由 15V 至-15V,每 1V 取一點);Secondary Sweep 為電流源(50 uA 至 0uA,每 10uA 取一點)。注意:IC 由 VCC流向 1kΩ的方向為正。
4. 何謂 Early Effect?
相關知識
1. 雙極電晶體之簡易模型；
2. 電晶體之電流增盔(β)；
3. 電晶體的偏壓方式。
Ebers-Moll 模型
分析BJT 的工作原理，我們可以得到一個描寫 BJT 的數學模型---Ebers-Moll 模型。根據此模 型，理想的npn 電晶體可用下面的電路模型來表示：
αRIR
IF
αFIF
IR
IB
B
IF
VBE
1 IR
VBC 1
圖6.1
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IC VBE 1 VBC 1 …eq. 6.1
IE VBE 1 VBC 1 …eq. 6.2
由 BE 和 BC 兩個接面的偏壓情形，我們可以定義四個不同的電晶體操作模式(operation modes)，見下表：順向活性(forward active)、逆向活性(reverse active)、截止(cut off) 及飽和(saturation)。
表 6.1
Operation mode Forward active Reverse active Cut off Saturation B-E biasing Forward Reverse Reverse Forward B-C biasing Reverse Forward Reverse Forward
實驗步驟
<一>Ebers-Moll 模型
這裡我們要測試 npn 電晶體在順向活性區的 Ebers-Moll 模型：當 VBE≧Vγ(~0.5V) (Forward-biased)且 VBC<Vγ (Reverse-biased)，eq. 6.1 變成
IC VBE VBE …eq. 6.3
1.電路如圖 6.2 所示。R 用 4.7M、1M、470k、100k 及 47k 之電阻替代，分別測量 VBE及 IC。(IC=VC/1k)
2. logIC對 VBE作圖，你是不是可得一條直線？斜率是多 少？
3. 將 C 極浮接，利用「二極體的特性」實驗中「二極體之 順向偏壓特性曲線」步驟裡二極體特性曲線測試方法量 測 BE 接面的特性，在步驟 2 的作圖上再畫出 logIE對 VBE圖。求出其斜率，和步驟 2 之結果比較。
<二>基極的偏壓方式
1.測試電路如圖 6.3 所示。
2.測量 VB及 VCE之電壓，並計算 IC、IB及β值。
3.將 RB分別改為 47k、100k、220k 及 470k 等歐姆值，重複步驟 2。
4.用 4.7k 串聯 500k 的可變電阻取代 RB，調整可變電阻使 VCE為½ VCC(7.5V)並記錄此時的 RB值為何。
5.利用吹風機加熱電晶體，觀察 VCE的變化。記下 VB及 VCE之變動後 的穩定值，再推算β值及 VBE之變化的百分比。
圖6.2
VCC+15V
RB IC RC 1k 1M
IB IE
＋ VCE
＋ － VB E
－ 圖6.3
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<三>射極的偏壓方式
1.測試電路如圖 6.4 所示。
2.測量 VB、VE及 VC之電壓，並計算 IB、IC、IE及β值。
3.將 RE分別改為 100、330、510、1k 及 2k 等歐姆值，重複步驟 2。
4.用 10k 串聯 500k 的可變電阻取代 RB及 RE=1kΩ，調整可變電阻使得VCE VCC VEE。 5.利用吹風機加熱電晶體，觀察 VCE的變化。記下 VB、VE及 VC之變動後的穩定值，再推算β
值及 VCE之變化的百分比。
圖 6.4 圖 6.5
<四>分壓器的偏壓方式
1.測試電路如圖 6.5 所示。
2.測量 VB、VE及 VC之電壓，並計算 IB、IC、IE及β值。
3.將 R1分別改為 22k、39k、68k、100k 及 220k 等歐姆值，重複步驟 2。
4.用 10k 串聯 500k 的可變電阻取代 R1，調整可變電阻使得VCE VCC。
5.利用吹風機加熱電晶體，觀察 VCE的變化。記下 VB、VE及 VC之變動後的穩定值，再推算β 值及 VCE之變化的百分比。
<五>集極回授的偏壓方式 1.測試電路如圖 6.6 所示。
2.測量 VB及 VC之電壓，並計算 IB、IC、IE及β值。
3.將 RB分別改為 33k、68k、100k 及 330k 等歐姆值，重複步驟 2。
4.用 10k 串聯 500k 的可變電阻取代 RB，調整可變電阻使得VCE ＋VCC。
5.利用吹風機加熱電晶體，觀察 VCE的變化。記下 VB及 VC之變動後的穩定值，再推算β值 及 VCE之變化的百分比。
VCC+15V
R1 I1 IC R1kC 22k VC
VB
IB VE 10k I2 IE 470
R2 RE
VCC+15V IC
RC 1k RB VC
10k VB
IB
IE RE 1k
VEE-15V
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圖 6.6 圖 6.7
<六>共射極(common-emitter)特性曲線及電晶體的操作模式
所謂″共射極″是指輸入埠及輸出埠以射極為共同點，如圖 6.7。通常它的輸出特性曲線 (output characteristics)是對不同的輸入(即 IB)，以 VCE為橫軸，以 IC為縱軸做圖。
1.測試電路如圖 6.8，先將 VCC固定在 15V，調整 VBB使得 IB為 50μA(IB=(VBB－VBE)/100k)。
慢慢降低 VCC，每隔 1V(到 0V 為止)，記錄 VCE，再由 VCC和 VCE計算出 IC，做 IC對 VCE圖。
2.分別調整 IB為 40μ、30μ、20μ、10μ及 0μA，
重複上面步驟 1，並將不同 IB的 IC-VCE圖畫在一 起。
3. 將 C 極和 E 極的位置倒過來，重複步驟 1 和 2。
注意！這時所得之 IC和 VCE應是負的。
數據分析與思考問題
1.比較實驗程序<一>中 2 和 3 之結果，所得之斜率為何不同？
2.由程序<二>至<五>的實驗結果，試比較不同的偏壓方式。
3.將實驗程序<六>的結果畫在同一個 IC-VCE圖上，並標出四種不同的操作模式。
4.根據上題所得之共射極輸出特性，試估計 IB=20μA 時，VCE=5V、1V、-1V 及-5V 之β及α。
(先求β，再由α、β之關係求α。)
5.由思考問題 3 所得的圖形中，當 IB固定時，IC對 VCE圖是完全水平的嗎？如果不是，為什 麼？(這叫 Early Effect，練習查書吧！？)
101/2 VCC+15V
IB+IC RC1k
RB VC 1M IC
VB
IB IE
圖6.8
