МУ к л.р. по электронике Исследование работы биполярного

Общие указания
Транзистор является дальнейшим развитием полупроводникового диода.
Используется он для усиления, преобразования и генерирования электрических
колебаний.
В электронной лампе малой электрической мощностью в сеточной цепи
происходит управление значительной мощностью в анодной цепи. Точно также в
транзисторе небольшой электрической мощностью во входной цепи можно
управлять значительно большей мощностью в выходной цепи.
Если в полупроводниковом диоде имеется один электронно-дырочный
переход, то в транзисторе таких переходов нужно иметь два.
В качестве полупроводника в транзисторах используется кремний, реже
германий.
По виду контактных пар транзисторы, так же как и диоды, делятся на точечные и плоскостные.
Транзистор имеет три электрода, соответствующих катоду, аноду и сетке
обычной трехэлектродной лампы. Один из этих электродов называется эмиттером
(соответствует катоду), другой - коллектором (соответствует аноду) и третий базой (соответствует сетке). Иногда базу называют основанием или управляющим электродом. Вывод от эмиттера является входом, а от коллектора - выходом.
На рис. 1а схематически показаны устройство точечного транзистора и его
условное изображение на схемах.
Точечный транзистор - это по существу точечный диод с дополнительным
точечным контактом. Обе проволочки образуют контакт с поверхностью
пластинки германия (обычно n-типа). Одна проволочка служит эмиттером, другая
- коллектором, а пластинка германия - базой.
На рис 1б показано устройство и условное изображение на схемах
плоскостного транзистора типа р- n- р, а на рис.1 в - плоскостного транзистора
типа n- р- n. Транзисторы р- n- р типа называются транзисторами прямой
проводимости, а n -р- n- типа- обратной проводимости.
Схемы включения биполярных транзисторов
Транзистор может включаться в электрическую цепь несколькими способами. От способа включения зависят усилительные свойства каскада.
На рис. 2 изображены три основные схемы включения транзисторов. Приведенные схемы применяются в однокаскадных усилителях, генераторах и других
схемах.
Схема включения транзистора, показанная на рис.2а, называется схемой с
общей базой, поскольку вход эмиттера и выход коллектора подключаются к базе.
На рис. 26 приведена схема с общим эмиттером и на рис. 2в - с общим коллектором.
Каждая схема пригодна для транзисторов р- n- р и n- р- n- типа, которые
отличаются между собой только измененной полярностью включения источников
питания.
Схема с общим эмиттером - одна из наиболее распространенных схем
включения транзисторов в усилителях, так как она дает наибольшее усиление.
Схема с общей базой
На рис. 2 а приведена схема с заземленным эмиттером. Входное напряжение
подводится между базой и эмиттером, а усиленное выходное напряжение
снимается между коллектором и базой. Эта схема не изменяет фазу между
входным и выходным напряжением. Входная цепь эмиттера имеет малое входное
сопротивление, в то время выходная цепь коллектора имеет очень большое
выходное сопротивление.
Схема с общим эмиттером
На рис. 2 б приведена схема с заземленным эмиттером. Входное напряжение
подводится между базой и эмиттером, а усиленное выходное напряжение
снимается между коллектором и эмиттером.
При общем эмиттере выходная цепь коллектора подключается к эмиттеру
вместо базы. Теперь напряжение отрицательного смещения, приложенное к
коллекторному электроду, имеет большое влияние на эмиттерный электрод.
Кроме того, в этой схеме входное напряжение подводится в обратной полярности.
Следовательно, в схеме с общим эмиттером происходит сдвиг по фазе на 180°
между входным и выходным напряжением.
Схема с общим эмиттером позволяет получить большое усиление. Это
объясняется тем, что изменения тока базы для цепи с общим эмиттером влияют на
коллекторный ток больше, чем изменения тока эмиттера для цепи с общей базой.
Схема с общим коллектором
На рис. 2в приведена схема с заземленным коллектором. Входное напряжение
подводится между базой и коллектором, а выходное напряжение снимается между
коллектором и эмиттером. Эта схема эквивалентна схеме эмиттерного
повторителя. В этом случае входная цепь имеет большое сопротивление, выходное
напряжение снимается с эмиттерной цепи низкого сопротивления.
Усиление схемы с общим коллектором меньше единицы, поскольку выходное
напряжение меньше входного. Однако эта схема находит практическое
применение, так как в некоторых случаях требуется иметь большое входное сопротивление и небольшое выходное сопротивление. Усиление можно довести
близко к единице. Фаза между входным и выходным сопротивлением не меняется.
Характеристики и параметры биполярных транзисторов
Так как в транзисторе происходит управление током, то при снятии его характеристик изменяют ток эмиттера или коллектора и отмечают изменения напряжений, получаемые на этих электродах.
Основной характеристикой транзистора считается выходная характеристика,
показывающая изменение напряжения на коллекторе UK В зависимости от
изменения тока коллектора 1к при неизменном токе базы 1б. На рис. 3 приведено
семейство коллекторных характеристик транзистора, снятых при окружающей
температуре 25 °С.
Для схем с заземленной (общей) базой можно построит другие характеристики:
- зависимость напряжения на эмиттере от тока эмиттера при постоянных значениях
тока коллектора;
- зависимость напряжения на эмиттере от тока коллектора при постоянных
значениях тока эмиттера;
- зависимость напряжения на коллекторе от тока эмиттера при постоянных
значениях тока коллектора.
К основным параметрам транзистора относятся: коэффициент усиления по
току β, предельная рабочая частота fгp, коэффициент усиления по мощности Кр,
входное сопротивление Rbx, выходное сопротивление Rвых, сопротивление обратной
связи Roбp.cв., выходная мощность Рвых и коэффициент шумов Nш.
Коэффициент усиления по току β
Представляет собой отношение изменения тока коллектора Iк к вызвавшему его
изменению тока базы Iб при неизменном напряжении на коллекторе:
Р = I к / Iб, при Uk = const.
Он определяется наклоном характеристики Iк в зависимости от тока базы I при
постоянном напряжении на коллекторе U
Предельная (граничная) частота frp - это такая частота, на которой коэффициент
усиления по току β падает до 0,7 его максимальной величины. Уменьшение
усиления на высоких частотах ограничивает область применения транзисторов.
Падение усиления транзисторов с ростом рабочей частоты объясняется конечным
временем перемещения зарядов в полупроводнике между эмиттером и
коллектором, что приводит к фазовым сдвигам (это время значительно больше
времени пролета электронов в лампе).
Предельная (граничная) рабочая частота у точечных транзисторов выше, чем у
плоскостных.
Выходное сопротивление Rвых транзистора определяется наклоном характеристики Uk в зависимости от тока коллектора Iк при постоянном токе эмиттера
Iэ.
Rвых = Uk / Ik, При Iэ =const.
При разомкнутой цепи эмиттера, т.е. при Iэ =0,
Rвыx = Uk / Ik.
Выходное сопротивление равно сопротивлению коллекторного перехода плюс
сопротивление базы:
Rвых =rк + rb .
Сопротивление обратной связи Rобр.св. определяется наклоном характеристики
UK в зависимости от тока коллектора Iк при постоянном токе коллектора Iэ :
Roбp.св . = Uэ / Iк При Iэ =const.
Сопротивление Rnp.пер прямой передачи определяется наклоном характеристики
Uk в зависимости от тока эмиттера Iэ при постоянном токе коллектора Iк:
Rnp.пер = Uk / Ik, при IK=const.
На рис. 4 через rм обозначено сопротивление генератора выходного сигнала
(эквивалентного генератора коллекторной цепи):
rм = Rnp. пер - Rвыx = β rк.
Усиление по мощности равно отношению мощности выходного сигнала к
мощности сигнала на входе.
Выходная мощность, которую может отдать транзистор, зависит от выбора
схемы, режима питания и допустимой мощности, рассеиваемой коллектором в
схемах с общей базой.
При усилении звуковых частот ток на выходе изменяется в точном соответствии
с изменениями тока на входе. С повышением частоты появляются частотные
искажения, т.е. наблюдается неравномерное усиление всех частот. Наличие
емкостей коллекторного и эмиттерного переходов является одной из причин,
вызывающих уменьшение коэффициента усиления при возрастании частоты. Эти
емкости в транзисторе действуют аналогично входной и выходной емкостям в
электронной лампе. Емкость эмиттера играет сравнительно малую роль, т.к.
сопротивление эмиттера невелико. Более важное значение имеет емкость
коллектора.
Другая наиболее важная причина, ограничивающая усиление на высоких
частотах, - это различие во времени движения электронов между эмиттером и
коллектором, которое приводит к тому, что форма изменения тока на выходе
воспроизводится с искажениями. При определенном изменении искажения на
эмиттере некоторое количество электронов попадают на базу. Но так как одни
электроны доходят до коллектора раньше, чем другие, то это и вызывает искажение. То же самое получается при неравномерности толщины в области базы.
Уменьшение толщины пластинки германия между эмиттером и коллектором и
увеличение подвижности зарядов дают возможность повысить частоту
усиливаемых колебаний.
Подвижность электронов германия почти в два раза больше подвижности
дырок. Поэтому транзисторы n - р - n - типа при одной и той же базе более высокочастотны, чем транзисторы р - n - р - типа.
Очень важное достоинство транзисторов - их высокая механическая прочность.
Описание органов управления лабораторного стенда
Лабораторный стенд «Исследование биполярного транзистора» предназначен
для выполнения лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника»
раздел «Электроника».
Стенд оснащен автономным источником питания с электронным регулированием напряжения, встроенным биполярным транзистором прямой проводимости
средней мощности и измерительными приборами, предназначенными для снятия
характеристик данного транзистора.
Настоящий стенд позволяет проводить лабораторные работы по исследованию биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ)
и общей базой (ОБ).
1. По схеме с ОЭ можно выполнять следующие исследования:
а) определение зависимости тока базы Iб от напряжения Uбэ в цепи «эмит
тер-база» данного транзистора и построения входной характеристики;
б) определение зависимости тока коллектора Iк от напряжения Uкэ в цепи
«коллектор-эмиттер» этого же транзистора и построения входной
вольтамперной характеристики;
в) построения семейства выходных характеристик, зависящих от тока в цепи «эмиттер-база»;
г) определение h- параметров (h11, h12, h21, h22) с использованием входных и
выходных параметров транзистора.
2. По схеме с общей базой (ОБ) стенд позволяет выполнить только:
а) определение зависимости тока Iбэ от напряжения входной цепи «эмиттербаза» транзистора и построения вольтамперной характеристики;
б) определение зависимости тока коллектора Iк от напряжения питания UKБ
и построение вольтамперной характеристики;
в) определение влияния тока Iбэ на входной ток Iк биполярного транзистора.
Назначение органов управления стенда и руководство к эксплуатации
1. Лабораторный стенд должен быть отключен от сети.
2. Перед выполнением лабораторной работы необходимо убедиться в
целостности органов управления (ручек управления и тумблеров), а также
измерительных приборов V1, A1, V2, А2.
3. Тумблер B1 предназначен для включения автономного блока питания
встроенного в стенд. Исходное состояние тумблера B1 -«Откл».
4. Ручки переменных резисторов R1 и R2 должны быть выведены в крайнее левое
положение. Ручкой резистора R1 производится плавная регулировка входного
напряжения во входной цепи транзистора VT.
Подготовка к выполнение лабораторной работы
1. Отключить лабораторный стенд от сети.
2.Тумблер Bi поставить в положение «Откл».
3.Собрать необходимую схему для выполнения лабораторной работы (с
общим эмиттером ОЭ или с общей базой ОБ).
4.Тумблер В2 поставить в соответствующее собранной схеме положение.
5.Ручки переменных резисторов R1 и R2 должны быть выведены в крайнее
левое положение.
6.После этого шнур питания можно включить в розетку электропитания
переменного напряжения 220 В.
7. Включить тумблер B1, после чего должен загореться светодиод «сеть», что
характеризует включение стенда.
8. Медленно поворачивая ручку резистора R2 по часовой стрелке, устанавливаем необходимое напряжение, контролируя его измерительным прибором
V2.
9.Поворачивая ручку резистора R1 по часовой стрелке, контролируем напряжение на входе, а также нарастание тока базы Iбэ во входной цепи.
10. Выставляя резисторами R1 и R2 соответствующие входное и выходное
напряжения по измеренным параметрам, можно выполнить построение соответствующих характеристик.
11. После окончания исследования, ручки резисторов R1 и R2 выставить в
крайнее левое положение и тумблер B1 поставить в крайнее левое положение
«Откл», а шнур питания отсоединить от розетки электропитания.
Лабораторная работа
Снятие характеристик и определение параметров транзистора по схеме с
общим эмиттером.
Цель работы - изучение особенностей работы транзистора по схеме с общим
эмиттером (снятие входной и выходной характеристик), определение коэффициента усиления по току р и входного сопротивления.
Схема для снятия характеристик транзистора с общим эмиттером приведена
на рис.5.
Выполнение работы
План
1. Сборка и опробование схемы.
2. Снятие входных статических характеристик транзистора Iб = f(Uбэ) при UKЭ= const.
3. Снятие входных статических характеристик транзистора Iк = fi(Uкэ) при
Iбэ= const.
4. Построение статических характеристик транзистора.
Определение коэффициента усиления по току р и входного сопротивления
транзистора.
Сборка и опробование схемы
Исследуемый транзистор подсоединяют согласно схеме рис. 5. После этого
приступают к опробованию схемы. Для этого потенциометром R2 устанавливают
напряжение коллектор-эмиттер Uкэ порядка 50-60 % от наибольшего значения
этого напряжения для исследуемого транзистора. Поддерживая это напряжение
постоянным, изменяют напряжение Uбэ (с помощью потенциометра R1) и следят за
показаниями прибора, измеряющего ток базы Iб. Его величина должна изменяться в
пределах, достаточных для снятия входной характеристики транзистора. Затем
проверяют возможность снятия выходной характеристики.
Для этого устанавливают движок потенциометра R1 в среднее положение,
замечают значение тока базы Iб поддерживают его постоянным. Изменяя напряжение Uкэ, следят за величиной тока коллектора Iк, который должен плавно
изменяться в пределах, позволяющих снять выходную статическую характеристику транзистора.
Снятие выходных статических характеристик транзистора
I6=f (Uкэ), при Uкэ= const.
Перед снятием характеристик заготавливают таблицу наблюдений (табл.1).
I6=f (Uбэ), при UKЭ= const.
Таблица 1
Транзистор типа
Uкэ=0,В
U'кэ=…,В
U''кэ=…,В
Uкэ'''=…,В
Uбэ,В Iб,мкА Uбэ,В Iб,мкА Uбэ,В Iб,мкА Uбэ,В Iб,мкА
Входные статические характеристики транзистора снимаются для UKЭ=0 В и трех
значений напряжения Uкэ, отличающихся между собой на 30-50 %. Величины
напряжений U’кэ, U’’кэ, U’’’кэ зависят от типа исследуемого транзистора. Следует
обратить внимание на то, что входные статические характеристики, снятые при
Uкэ=0, практически не отличаются друг от друга, и дать объяснение этому явлению.
Снятие выходных статических характеристик транзистора
Iк=f(Uкэ), при Iбэ= const.
Данные наблюдений записывают в заранее заготовленную таблицу (табл. 2).
Iк= f (Uкэ), при Iбэ= const.
Таблица 2
Iб=0,В
I'б=…, В
I''б=…, В
I'"б=…, В
Uкэ, В Ik,мА Uкэ, В Ik,мА Uкэ, В Ik,мА Uкэ, В Ik,мА
Выходные статические характеристики снимают для четырех значений тока
базы Iб; Iб’ Iб”, Iб”’, устанавливают потенциометром R1 и поддерживают в процессе
наблюдений неизменным. Величины токов базы зависят от типа исследуемого
транзистора.
Построение статических характеристик транзистора
На основании результатов табл.1 и 2 в прямоугольной системе координат
строят семейства входных и выходных статических характеристик транзистора.
Определение коэффициента усиления по току β и входного сопротивления
транзистора
Пользуясь семейством выходных характеристик транзистора, нетрудно определить значение коэффициента усиления по току β. Допустим, что транзистор
работает при напряжении между коллектором и эмиттером UKЭ=5 В, а ток базы
равен Iб=40 мкА. Этому режиму в семействе выходных характеристик транзистора
соответствует точка А. Взяв приращения Iб и Iк между точками В и С при
постоянном напряжении U кэ, найдем
В= Iб/ Iк= 1мА/40мкА = 25, при UKЭ = const.
Измерения следует производить для напряжения Uкэ, соответствующего
примерно 50 % от наибольшей величины этого напряжения для данного типа
транзистора.
Входное сопротивление транзистора RBX МОЖНО найти из входных характеристик. Точка А соответствует тому же режиму, что и на выходных характеристиках.
По приращениям Iб и Uбэ между точками В и С при постоянном Uкэ = 5В,
находим
RBX= Uбэ/ Iб=90мВ/40мкА = 22500м.
Указания к отчету
Отчет должен содержать:
1) точное наименование и цель работы;
2) таблицу основных данных исследуемого транзистора;
3) схему для снятия характеристик транзистора с характеристикой входящих в
нее элементов;
4) таблицы наблюдений;
5) входные статические характеристики
Iб = f (Uбэ), при UKЭ= const;
6) выходные статические характеристики
Iк= f Iк(Uкэ), при Iбэ= const;
7)расчет коэффициента усиления по току β и входного сопротивления
транзистора;
8) краткие выводы о работе.
Контрольные вопросы
1. Укажите основные особенности схемы включения транзистора с общим
эмиттером.
2. Какую зависимость выражает входная характеристика транзистора по схеме с
общим эмиттером?
3. Какую зависимость выражает выходная характеристика транзистора по схеме
с общим эмиттером?
4. Объясните процесс усиления тока в схеме включения транзистора с общим
эмиттером.
5. Чем объяснить увеличение входного сопротивления транзистора при вклю-
чении его по схеме с общим эмиттером?
6. Как влияет величина напряжения на участке коллектор-эмиттер на положение
входной статической характеристики транзистора?
7. Как влияет величина тока базы на положение входной статической
характеристики транзистора?
8. Приведите соотношение между коэффициентами усиления по току в схеме
с общим эмиттером и общей базой.
9. Как определить коэффициент усиления по току и входное сопротивление
транзистора по характеристикам?
10. Расскажите об использовании схемы с общим эмиттером.