ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Целью работы является экспериментальное исследование статических входных и выходных характеристик биполярного транзистора, определение его малосигнальных h-параметров и исследование однокаскадного усилителя, выполненного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.

Продолжительность работы – 2 часа.

2. Основные теоретические положения


Биполярным транзистором называют трехэлектродный электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления электрической мощности. Термин «биполярный» связан с тем, что в таких транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из которых имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с электропроводностью иного типа. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором. На рис. 1 представлена реальная (а) и идеализированная (б) структура биполярного транзистора n-p-n – типа.

а) б) 

Рис. 1

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) своих основных носителей зарядов в базу, а коллектор – экстракцию (сбор) этих носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа, относятся к p-n-p – типу. Если же база р-типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n – типа. На электрических схемах эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода. На рис. 2 приведено условное графическое обозначение биполярных транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б) – типов.

Транзисторы включаются в электрическую цепь так, чтобы к переходу база–эмиттер внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к переходу база–коллектор – в обратном. При воздействии внешних напряжений потенциальный барьер между эмиттером и базой снижается, а между коллектором и базой возрастает. В результате основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть основных носителей заряда эмиттера рекомбинирует с основными носителями заряда базы, создавая ее ток.

Токи эмиттера и коллектора связаны коэффициентом передачи тока эмиттера: α=∆IК /∆IЭ при UКБ = const.

Для современных транзисторов a=0,9…0,999, поскольку DIК<DIЭ.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь (рис. 3): с общей базой (ОБ) (а), с общим эмиттером (ОЭ) (б) и с общим коллектором (ОК) (в).

image012

image010

image008

Рис. 3

Схема с ОБ обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других. Схема с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению меньше единицы, поэтому применяется для усиления тока. Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с ОЭ.

Работа транзистора в электрической цепи определяется его входными и выходными статическими вольт–амперными характеристиками (ВАХ). Входной статической ВАХ транзистора является зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве выходного напряжения. Выходной статической ВАХ транзистора является зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянстве входного тока. Статические ВАХ снимают в режиме постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения и содержат информацию о свойствах транзистора во всех режимах работы при больших и малых сигналах. По ним можно определить ряд параметров, не приводимых в справочной литературе, а также рассчитать цепи смещения, стабилизации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений. Так как вид характеристики (зависимость одного параметра от другого) зависит еще и от третьего параметра, то на плоскости одна характеристика описывается рядом кривых, совокупность которых называют семейством.

Семейство входных ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, устанавливает зависимость тока базы от напряжения UБЭ при UКЭ = const (рис. 4 а), а семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения UКЭ при IБ = const (рис. 4 б).

 

Важными параметрами транзистора являются так называемые малосигнальные h–параметры. Они характеризуют работу транзистора в основных режимах его работы – при малых изменениях токов и напряжений. Принято определять h‑параметры, исходя из представления транзистора четырехполюсником (рис. 5), внутри которого он подключен по одной из схем (ОБ; ОЭ; ОК).

Связь между приращениями входных (U1, I1) и выходных (U2, I2) напряжений и токов через h–параметры выражается системой двух уравнений:

DU1 = h11DI1 + h12DU2 ;

DI2 = h21DI1 + h22DU2 .

В качестве независимых переменных приняты приращения входного тока DI1 и выходного напряжения DU2, а приращения входного напряжения DU1 и выходного тока DI2 определяются через h-параметры.

Конкретные значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, т.е. от того, какие напряжения и токи являются входными, а какие выходными. При этом к h-параметру добавляют соответствующий индекс. Так, при включении транзистора по схеме с ОЭ система уравнений, описывающая его состояние через h-параметры, имеет вид:

DUБЭ = h11ЭDIБ + h12ЭDUКЭ ;

DIК = h21ЭDIБ + h22ЭDUКЭ .

При этом значения h-параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определяются следующими выражениями:

h11Э=DUБЭ/DIБ при UКЭ=const – входное сопротивление транзистора [Ом];

h12Э=DUБЭ/DUКЭ при IБ=const – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;

h21Э=DIК/DIБ при UКЭ =const – коэффициент передачи тока базы;

h22Э=DIК/DUКЭ при IБ=const – выходная проводимость транзистора [см].

Для схемы включения с ОЭ коэффициент передачи тока базы β=h21Э является основным параметром, связанным с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением β = α/(1 – α).


Конкретные значения h-параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ, в общем случае зависят от режима работы транзистора по постоянному току, который задается входным током покоя IБ0 и выходным напряжением покоя UКЭ0, и могут быть определены по вольт-амперным характеристикам. Параметры h11Э и h12Э определяются по входным характеристикам (рис. 6 а), а параметры h21Э и h22Э – по выходным характеристикам (рис. 6 б).

Определение h-параметров по заданным на вольт-амперных характеристиках приращениям выполняется следующим образом:

h11Э=DUБЭ1 / DIБ при UКЭ= UКЭ2;

h12Э=DUБЭ2 / DUКЭ1 при IБ = IБ0, где DUКЭ1=UКЭ2 – UКЭ1;

h21Э=DIК1 / DIБ при UКЭ = UКЭ0;

h22Э=DIК2 / DUКЭ2 при IБ= IБ0.

Приращение DUКЭ2 задается таким образом, чтобы конечные точки выходной ВАХ, определяемые им, не выходили за линейный участок этой ВАХ.

Транзистор, работающий в линейной части ВАХ при малых изменениях переменного сигнала, может быть представлен линейной схемой замещения (рис. 7), описываемой системой уравнений с h‑параметрами. На этой схеме обычно опускают знак Δ перед токами и напряжениями, предполагая, что схема составлена для малого переменного сигнала. В первом уравнении четырехполюсника слагаемым h12DU2 обычно пренебрегают, поскольку параметр h12 имеет очень малое значение. Оставшейся части первого уравнения четырехполюсника DU1=h11DI1 соответствует входная цепь.

Во втором уравнении четырехполюсника первое слагаемое можно представить на схеме замещения транзистора в виде зависимого источника тока J=h21DI1, а второе – в виде тока через резистор величиной, равной 1/ h22.

Транзистор, включенный в электрическую цепь по схеме с ОБ, ОЭ или ОК, является однокаскадным усилителем электрических сигналов – устройством, в котором маломощный входной сигнал управляет передачей большой мощности от источника энергии к нагрузке.

Основными параметрами усилителя являются:

 KU = ∆UВЫХ / ∆UВХ – коэффициент усиления напряжения;

 KI = ∆IВЫХ / ∆IВХ – коэффициент усиления тока;

 KP = ∆PВЫХ / ∆PВХ = ∆UВЫХ∆IВЫХ / ∆UВХ∆IВХ = KU KI – коэффициент усиления мощности;

 RВХ=∆UВХ/∆IВХ – входное сопротивление усилителя;

 RВЫХ=∆UВЫХ/∆IВЫХ – выходное сопротивление усилителя.

В зависимости от схемы включения транзистора, характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока и мощности. Такое разделение условно, поскольку в любом случае усиливается мощность.

Если требуемое значение коэффициентов усиления невозможно получить с помощью однокаскадного усилителя, то применяют несколько последовательно включенных усилительных каскадов или используют интегральные микросхемы. Наиболее распространенным усилительным каскадом на биполярном транзисторе является каскад с общим эмиттером (рис. 8).

Транзистор VT типа n-p-n является главным (усилительным) элементом каскада. Резистор RБ предназначен для подачи части напряжения источника в цепь базы и обеспечения входного тока покоя IБ0. Резистор в цепи коллектора RК является линейным преобразователем тока коллектора в напряжение. Конденсаторы CВХ и СВЫХ служат для отделения постоянных составляющих напряжений UБЭ и UКЭ от источника входного сигнала и нагрузки с целью исключения их влияния на режим работы каскада по постоянному току.

Усилительный каскад, выполненный по схеме с ОЭ (рис. 8), работающий в линейной области при синусоидальном входном воздействии, может быть представлен схемой замещения (рис. 9), описываемой системой уравнений с h‑параметрами.

Можно считать, что резистор RБ включен параллельно входу (через низкоомный источник питания). Однако обычно RБ >>h11, поэтому первым сопротивлением можно пренебречь. При этом уравнение входной цепи каскада: UВХ =IВХ h11.

Для выходной цепи каскада, пренебрегая RН, первый закон Кирхгофа записывается в виде: h21IВХ + h22UВЫХ +UВЫХ/RК = 0.

Совместное решение уравнений входной и выходной цепей для режима холостого хода в предположении, что h22 << 1/RК, дает:

, откуда   или ,

.

Входное сопротивление в основном определяется входным сопротивлением транзистора h11: .

Выходное сопротивление практически равно сопротивлению Rк:

.

Простейший усилительный каскад по схеме с ОЭ (рис. 8) не может обеспечить стабильную работу в различных температурных условиях. Причина этого заключается в существенной зависимости параметров транзистора от температуры. Так, при увеличении температуры растет ток коллектора за счет возрастания неосновных носителей заряда в ПП. Следствием этого является изменяющийся коэффициент передачи тока базы, который при изменении температуры на 1°C меняется приблизительно на 1%. В результате существенно изменяется начальный ток коллектора, что вызывает смещение рабочей точки на характеристиках транзистора. Если при работе УК коллекторное напряжение UКЭ выйдет за пределы линейного участка, то выходной сигнал исказится.

Для уменьшения влияния температуры на работу УК с ОЭ используется схема термостабилизации (рис. 10). Резисторы в цепи базы RБ и R'Б образуют делитель напряжения, поддерживающий постоянным потенциал базы (ток в них много больше базового тока). При росте температуры растут токи коллектора IК и эмиттера IЭ, что ведет к увеличению падения напряжения на резисторе RЭ. Увеличение потенциала эмиттера транзистора при неизменном потенциале базы приводит к снижению напряжения UБЭ. Это ведет к уменьшению тока базы и, как следствие, тока коллектора. Для исключения влияния резистора RЭ на работу каскада по переменному току параллельно ему подключается конденсатор СЭ, реактивное сопротивление которого во всем диапазоне усиливаемых частот много меньше сопротивления RЭ. Конденсатор СЭ в данном случае является фильтром, отсеивающим медленно меняющийся сигнал, обусловленный изменением температуры, от быстро меняющегося полезного.

Важным показателем работы усилителя является его амплитудная характеристика (рис. 11), представляющая собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного на средних частотах. Для малых амплитуд входного напряжения эта характеристика прямолинейна, так как коэффициент усиления КU постоянен. При больших амплитудах входного напряжения транзистор работает в нелинейной области характеристик. При этом форма выходного напряжения искажается (срезается верхняя или нижняя части синусоиды). Амплитудная характеристика определяет допустимый диапазон входных напряжений, при которых на выходных напряжениях отсутствуют нелинейные искажения. Следует отметить, что величина максимального выходного напряжения усилителя ограничена величиной напряжения источника его питания.

Кроме амплитудной характеристики, усилитель характеризуется также амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), отражающей зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты сигнала KU( f ) (рис. 12). АЧХ представляет собой совокупность трех областей, разделенных верхней и нижней граничными частотами fн и fв. Граничными называются частоты, при которых коэффициент усиления по напряжению в раз меньше максимального. Диапазон частот между верхней и нижней границами называется полосой пропускания. Снижение коэффициента усиления по напряжению при низких частотах входного сигнала возникает вследствие возрастания емкостного сопротивления разделительных конденсаторов CВХ и СВЫХ. При высоких частотах входного сигнала коэффициент усиления по напряжению падает из-за уменьшения емкостного межэлектродного сопротивления транзистора, обусловленного наличием паразитных емкостей p‑n–переходов. Нижняя граничная частота работы транзисторного усилителя может быть изменена за счет варьирования емкостей разделительных конденсаторов, а верхняя граничная частота, определяемая частотными свойствами используемого транзистора, может быть изменена только его заменой на транзистор другого типа.

3. Описание лабораторной установки

1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. На панели №1 расположены транзистор КТ626Б, два миллиамперметра для измерения его входного тока базы IБ и выходного тока коллектора IК, а также однокаскадный транзисторный усилитель, выполненный на транзисторе КТ313А по схеме с ОЭ.

3. Клеммы источника стабилизированного напряжения ±12 В и кнопки включения питания стенда расположены на его горизонтальной панели.

4. Для измерения входных UБЭ и выходных UКЭ напряжений используется цифровой вольтметр В7-38.

5. При исследовании усилительного каскада в качестве источника входного сигнала используется генератор низкочастотных сигналов ГЗ-112.

4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2. Снять входные характеристики транзистора IБ=f(UБЭ) при UКЭ=const, для этого:

а) подвести к схеме (рис. 13) напряжение питания U= ± 12В от стабилизированного источника постоянного напряжения;

б) подключить цифровой вольтметр (предварительно переведя его в режим постоянного напряжения) к выходным гнездам для измерения выходного напряжения UКЭ;

в) потенциометром R2 установить выходное напряжение UКЭ=0В;

г) подключить цифровой вольтметр к входным гнездам для измерения входного напряжения UБЭ;

д) установить потенциометром R1 по миллиамперметру А1 последовательно значения токов базы, приведенные в табл. 1, и измерить соответствующие им значения входных напряжений UБЭ. Результаты измерений занести в табл. 1;

е) повторить п. 2.б)…д) для выходного напряжения UКЭ=5В. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

UКЭ, В

IБ, мА

0

0,5

1

1,5

2

3

4

5

0

UБЭ,

В

5

3. По данным табл. 1 изобразить графически семейство входных характеристик транзистора.

4. Снять выходные характеристики транзистора IК=f(UКЭ) при IБ=const, для этого:

а) подключить цифровой вольтметр к выходным гнездам для измерения выходного напряжения UКЭ;

б) потенциометром R1 по миллиамперметру А1 установить входной ток базы IБ=2мА;

в) установить потенциометром R2 последовательно значения выходных напряжений UКЭ, приведенные в табл. 2, и измерить по миллиамперметру А2 соответствующие им значения выходных токов IК. Результаты измерений занести в табл. 2;

г) повторить п. 4.б)…в) для входных токов IБ=4; 6 мА. Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2

IБ, мА

UКЭ, В

0

0,5

1

2

4

6

8

10

2

IК, мА

4

6

5. По данным табл. 2 изобразить графически семейство выходных характеристик транзистора.

6. По полученным характеристикам определить h-параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

7. Снять амплитудную характеристику транзисторного усилителя с ОЭ (рис. 14) UВЫХ.МАХ=f(UВХ.МАХ), для этого:

а) установить переключателями величины сопротивлений резисторов RК и RН в соответствии с заданным в табл. 3 вариантом. Величину емкости конденсатора СВЫХ установить равной 20 мкФ;

Таблица 3

№ Вар.

1

2

3

4

5

4,3

2,2

4,3

2,2

4,3

12

12

8,2

8,2

12

б) подключить ко входу усилителя генератор низкочастотных сигналов и цифровой вольтметр. Переключатель формы выходного напряжения генератора установить в положение «~», переключатель «∆dB» – в положение «20». Вольтметр перевести в режим измерения переменного напряжения;

в) подключить к выходу усилителя осциллограф;

г) подвести к схеме усилителя напряжение питания U= ± 12В от стабилизированного источника постоянного напряжения;

д) при частоте входного сигнала 1 кГц установить на входе усилителя по цифровому вольтметру последовательно значения входных напряжений UВХ, приведенные в табл. 4, и определить с помощью осциллографа соответствующие им значения амплитуд выходных напряжений. Результаты измерений занести в табл. 4;

е) зарисовать с экрана осциллографа форму кривой выходного напряжения, соответствующего максимальному входному напряжению.

Таблица 4

UВХ., В

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,5

UВЫХ.МАХ, В

КU

8. Построить по данным табл. 4 амплитудную характеристику усилителя UВЫХ.МАХ=f(UВХ.МАХ), где  (так как цифровой вольтметр измеряет действующее значение напряжения). Рассчитать и занести в табл. 4 значения коэффициентов усиления по напряжению как КU=UВЫХ.МАХ / UВХ.МАХ.

9. Снять амплитудно-частотную характеристику транзисторного усилителя с ОЭ KU( f ), для этого:

а) установить переключатель «∆dB» генератора в положение «40» и выставить по цифровому вольтметру величину входного напряжения UВХ.=20 мВ;

б) установить на входе усилителя, по шкале генератора, последовательно значения частоты входных напряжений f, приведенные в табл. 5, и определить с помощью осциллографа соответствующие им значения амплитуд выходных напряжений. Результаты измерений занести в табл. 5.

Таблица 5

f, кГц

0,2

0,5

1

2,5

5

10

25

50

100

300

700

UВЫХ.МАХ, В

КU

10. Рассчитать и занести в табл. 5 значения коэффициентов усиления по напряжению. Построить по данным табл. 5 амплитудно-частотную характеристику усилителя KU( f ), задав на ней логарифмический масштаб изменения частоты.

11. По амплитудно-частотной характеристике определить граничные частоты fН и fВ.

5. Правила выполнения лабораторной работы

Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить теорию вопроса, предполагаемого к исследованию, ознакомиться с руководством по соответствующей работе и подготовить протокол проведения работы, содержащий:

название работы;

схемы исследуемых устройств;

таблицы для записи результатов измерений и расчетов;

расчетные формулы;

координатные поля для построения графиков зависимостей.

Неподготовленные студенты к выполнению лабораторной работы не допускаются.

При подготовке к защите лабораторной работы следует проанализировать экспериментальные результаты, сопоставить их с известными теоретическими положениями или справочными данными, обобщить результаты исследований в виде выводов по работе и подготовить ответы на контрольные вопросы.

6. Техника безопасности

1. До начала выполнения работы необходимо внешним осмотром проверить исправность элементов стенда. Об обнаруженных неисправностях немедленно сообщить преподавателю.

2. Включать стенд после сборки схемы разрешается только после ее проверки преподавателем или лаборантом и в их присутствии.

3. По окончании сборки схемы необходимо удалить лишние провода и предметы с рабочего места. Проходы вокруг рабочего места должны быть свободны.

4. Запрещается переключать что–либо на стенде, находящимся под напряжением.

5. При несчастном случае немедленно оказать первую помощь и вызвать врача.

7. Контрольные вопросы

Что такое биполярный транзистор? Какие типы биполярных транзисторов известны?

Какие схемы включения биполярного транзистора используются в усилительных каскадах? В чем преимущества и недостатки различных схем?

Что представляют собой малосигнальные h-параметры биполярного транзистора?

Какие зависимости называются вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора? Как по ним определяются h – параметры?

Изобразите схему замещения транзистора и транзисторного усилителя, составленную с использованием h-параметров.

В чем заключается принцип работы усилителя на транзисторе?

Объясните назначение элементов схемы однокаскадного усилителя с ОЭ на транзисторе.

Почему возникает необходимость термостабилизации транзисторного усилителя с ОЭ и как она выполняется?

Как определяются коэффициенты усиления усилителей.

Какими основными характеристиками описывают работу усилителей?

Чем объясняется снижение усилительных свойств усилительного каскада с ОЭ на высоких и низких рабочих частотах?

Какими преимуществами и недостатками характеризуется биполярный транзистор по сравнению с другими усилительными приборами?

проститутка в минске.