Колчанов А.В. 8В83 Лаба 3

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт - Кибернетики
Направление – 230100 «Информатика и вычислительная техника»
Кафедра – Оптимизации систем управления
Исследование режимов биполярного транзистора
Отчет о лабораторной работе №3
по курсу «Электроника»
Выполнил: Колчанов А.В.,
студент группы 8В83
Проверил: Заревич А.И.,
доцент каф. КИСМ
Томск 2010
Цель работы
- получение практических навыков схемного введения биполярного
транзистора в заданный режим покоя;
- определение основных свойств транзистора в усилительном и ключевых
режимах;
- овладение методикой работы в учебной лаборатории в программноаппаратной среде NI ELVIS.
Задачи работы:
- снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) биполярного транзистора VT1,
используя анализатор (Three–wire Current–Voltage Analyzers) и сохранение
данных для отчета;
- приобретение навыков исследования режимов работы транзистора с
привлечением регулируемого источника питания (Variable Power Supplies),
цифрового мультиметра (Digital Multimeter – DMM), функционального
генератора ( FGEN) и осциллографа (Scope);
- обработка полученных экспериментальных данных, подготовка и защита
отчета.
Ход работы:
Получение ВАХ биполярного транзистора
Снятие выходных ВАХ биполярного транзистора VT1
Собрали следующую схему:
3WIRE
NI
ELVIS
VT1
Current LO
Рис. 1. Схема эксперимента для снятия выходных ВАХ транзистора в
программно-аппаратной среде NI ELVIS
В меню запуска инструментов NI ELVIS выбрали функцию Three-wire
Current Voltage Analyzer (трехпроводной вольтамперной анализатор).
Рис. 2. Выходные ВАХ биполярного транзистора
Рис. 3. Снятие входных ВАХ биполярного транзистора
+5V
Current HI
Current HI
Uкэ=0
NI
ELVIS
NI
Current LO
ELVIS
Current LO
Uкэ = +5 V
GND
а
б
Рис. 4. Схемы для снятия входных ВАХ транзистора в программно-аппаратной
среде NI ELVIS: а) Uкэ=0V; б) Uкэ=+5V
В меню запуска инструментов NI ELVIS выбрали функцию Two-wire Current
Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперной анализатор).
Рис. 5а. Входная ВАХ биполярного
транзистора при UКЭ =0 В (прямая
ветвь).
Рис. 6а. Входная ВАХ биполярного
транзистора при UКЭ =5 В (прямая
ветвь).
График 5б. Входная ВАХ
биполярного транзистора при
UКЭ =0 В (прямая ветвь).
График 6б. Входная ВАХ
биполярного транзистора при
UКЭ =5 В (прямая ветвь).
При Uкэ =0 график ВАХа транзистора мало отличается от графика ВАХа
кремниевого точечного диода – в этом случае транзистор ведет себя как
обычный диод. При увеличении Uкэ график ВАХ становится более крутой и
смещается вправо.
Рис.7. ВАХи биполярного транзистора при UКЭ =0 (красная) и 5 (синяя) В
Исследование усилительного режима транзистора
Регулирование координат рабочей точки покоя.
Собрали схему эксперимента (рис. 8):
+9V
+9V
R7
1,2 k
SUPPLY+
VPS
R4
VT 1
100 k
VOLTAGE HI DMM
Or
SCOPE CH+
VOLTAGE LO DMM
GROUND
Рис. 8. Схема эксперимента для измерения координат рабочих точек
транзистора
Вызвали из меню NI ELVIS регулируемый источник питания (VPS),
цифровой мультиметр (DMM) в режиме измерения напряжения постоянного
тока (V=) и осциллограф (Scope) при открытом его входе.
На графике зависимость U КЭП  E К  I КП  R – прямая. Поэтому построили
нагрузочную прямую по двум точкам, характеризующим режимы холостого
хода и короткого замыкания.
Для режима короткого замыкания: U КЭП  0 В , I КП 
EК
8.36

 6.97 мА
R7 1.2  10 3
Для режима холостого хода: I КП  0 мА , U КЭП  E К  8.36 В
Полученная нагрузочная прямая по постоянному току показана на
выходных ВАХ транзистора (рис. 3).
Произвели расчет ориентировочных значений Supply+ для трех рабочих
точек с координатами UКЭ1 = 2 В, UКЭ2 = 5 В, UКЭ3 = 7 В, используя
приближенную формулу: Supply   I Б  R4  0.6 .
U КЭ  2 В,
I Б  80 мкА,
Supply   80  10 6  10 5  0.6  8.6 В
U КЭ  5 В,
I Б  44 мкА,
Supply   44  10 6  10 5  0.6  5 В
U КЭ  7 В,
I Б  20 мкА,
Supply   20  10 6  10 5  0.6  2.6 В
На виртуальной панели источника VPS изменили значения Supply+ до
получения значений UКЭ1 = 2 В, UКЭ2 = 5 В, UКЭ3 = 7В.
UКЭ = 2 В при Supply+ = 8.6 В
UКЭ = 5 В при Supply+ = 5 В
UКЭ = 7 В при Supply+ = 2.6 В
Изменения напряжения Supply+ ведут к изменению координат рабочей
точки. При этом новые координаты рабочей точки находятся на нагрузочной
прямой.
Задались координатой рабочей точки транзистора при UКЭ2 = 5 В, Iк=2.7
мкА, полученной из предыдущего пункта, и определили в окрестностях этой
точки значения h-параметров транзистора, выполнив построения как показано
на рис. 9.
Рис. 9. Графические построения для определения h-параметров
Параметр h11Э схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в
рабочей точке А в соответствии с графическими построениями:
h11Э 
U БЭ
I Б

U КЭ  const
U D  U C 0.581 - 0.467

 0.494
I D  IC
0.248 - 0.017
Коэффициент h12Э посчитать невозможно, т.к. нельзя определить
напряжение при токе базы 40 мкА для UКЭ=5 В.
В рабочей точке А на выходных характеристиках определили параметры
h21Э и h22Э:
h21Э 
h22Э 
I К
I Б

U КЭ  const
I К
U КЭ

I Б  const
AD
(6,41715  2,47939)  10 -6

 0.079
I Б 2  I Б1
(90 - 40)  10 -6
BC (2.5811 - 2.5)  10 -6

 2.03  10 8
AB
95
Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:
h11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;
h12 – коэффициент обратной связи по напряжению;
h21 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;
h22 – выходная проводимость при холостом ходе на выходе.
Зафиксировали изменения координат рабочей точки с помощью
осциллографа. Использовали открытый вход осциллографа (Coupling) no
Canned A, включим Display (On) и Cursor (On). Пронаблюдали на экране
осциллографа изменение координаты UКЭ рабочей точки при вариации
напряжения Supply+. Установили последовательно значения Supply+1
(рисунок 8), Supply+2 (рисунок 9), Supply+3 (рисунок 10) предыдущего пункта и
с помощью курсора определили UКЭ1, UКЭ2, UКЭ3.
Рис. 10. Осциллограмма изменения координаты UКЭ рабочей точки при
напряжении Supply+2
Рис. 11. Осциллограмма изменения координаты UКЭ рабочей точки при
напряжении Supply+5
Рис. 12. Осциллограмма изменения координаты UКЭ рабочей точки при
напряжении Supply+7
Исследование усилительного режима транзисторного каскада
Построили на выходных ВАХ транзистора три нагрузочные прямые по
переменному току, соответствующие включенной дополнительной нагрузке RL
для трех режимов покоя при UКЭ1= 2 В, UКЭ2=5 В, UКЭ3 = 7 В (рисунок 11).
R~  R7 || RL 
R7  RL
1.2  10 3  2.4  10 3

 800 Ом
R7  RL 1.2  10 3  2.4  10 3
Нагрузочные прямые по переменному
соответствующие точки режима покоя:
U КЭ11  2 В,
U КЭ12  5 В,
U КЭ13  7 В,
U КЭ11
2

 2.5 мА
R~
800
U
5
I К 12 КЭ12 
 6.25 мА
R~
800
U
7
I К 13 КЭ13 
 8.75 мА
R~
800
I К 11
и точки с координатами:
току
проходят
через
I К 21  0 мА,
U КЭ 21  U КЭ11  I К11  R~  2  2.5  10 3  800  4 В
I К 22  0 мА,
U КЭ 22  U КЭ12  I К12  R~  5  6.25  10 3  800  10 В
I К 23  0 мА,
U КЭ 23  U КЭ13  I К13  R~  7  8.75  10 3  800  14 В
Рис. 13. Нагрузочные прямые по переменному току
Собрали схему, изображенную на рисунке 14. Установили на FGEN
частоту гармонического сигнала 1 кГц, значение 10 мВ.
Рис. 14. Схема усилительного каскада ОЭ на биполярном транзисторе
С помощью временных диаграмм с осциллографа экспериментально
определили максимальную амплитуду выходного гармонического напряжения
при выключенной и включенной нагрузке RL.
Таблица 1.
Амплитудные значения выходного напряжения при изменении входного
ЗНАЧЕНИЕ UКЭ
ЗНАЧЕНИЕ UВЫХ
UКЭ1= 0 В
UКЭ1= 2 В
UКЭ2=5 В
UКЭ3 = 7 В
MAX
R7
R7,RL
R7,RL
R7
R7,RL
R7, RL
FGEN = 10 мВ
8.92
8.91
8.32
6.68 6.40
4.80
FGEN = 20 мВ
8.91
8.42
6.84
5.40
FGEN = 30 мВ
8.91
8.50
7.12
5.91
FGEN = 40 мВ
8.91
8.55
7.35
6.31
FGEN = 50 мВ
8.91
8.60
7.62
6.95
Из таблицы видно, что максимальная амплитуда выходного напряжения
достигается в рабочей точке с Uкэ = 2 В. Значение UВЫХ MAX, полученное
экспериментально хорошо согласуется со значением, полученным
теоретически по нагрузочным прямым на выходных ВАХ транзистора.
Определили коэффициент усиления каскада при Uкэ= 5 В:
K
U ВЫХ 8.60

 430
U ВХ
0.02
Стабильная работа каскада без искажений обеспечивается за счет
оптимального выбора рабочей точки и обеспечения соответствующего
входного напряжения.
Если будут усиливаться однополярные входные сигналы положительной
полярности, то целесообразнее взять рабочую точку в режиме покоя при UКЭ1=
2 В, а для входных сигналов с отрицательной полярностью - UКЭ3 = 7 В. Так как
при увеличении входного сигнала произойдёт в первом случае сначала
ограничение отрицательной полуволны, а во втором – положительной.
Исследование ключевого режима транзистора
1) Исследование режима отсечки
Собрали схему, изображенную на рисунке 15.
Рис. 15. Схема транзисторного ключа ОЭ
Установили значение управляющего напряжения Supply- равным -5В,
обеспечив режим глубокой отсечки, и измерим напряжение на коллекторе
транзистора.
Uк=8.37 В
U+9 = 9 В
Оно очень мало отличается от напряжения на выводе +9V , т.к. через R7
протекает ток Iко.
Будем постепенно уменьшать (по модулю) управляющее напряжение до
нуля с помощью VPS и измерять коллекторное напряжение.
Таблица 2.
Коллекторное напряжение, при изменении управляющего напряжения SupplySupply-, В
-5
-4
-3
-2
-1
0
Uк, В
8.37
8.37
8.36
8.36
8.37
8.93
Из полученных данных следует, что в режиме отсечки транзистор
потерял свои усилительные свойства, а на его выходе формируется
логическая единица, когда на входе действует логический нуль.
2) Исследование режима насыщения
Переключили полярность напряжения управления в схеме рисунка 15,
установив на входе вместо Supply- источник Supply+ =0 В.
Постепенно увеличивали значение управляющего напряжения Supply+,
снимая напряжения коллектора. Полученные данные показаны в таблице 3.
Таблица 3.
Характеристики транзистора в усилительном режиме
Supply+,
U кэ , В
U бэ , В
I б , мкА
I к , мА
В
0
8.37
0
0
1
7.41
15
0.8
2
3.52
60
4
3
0.140
100
6.95
4
0.088
5
0.071
6
0.063
7
0.054
8
0.052
9
0.050
10
0.043
Условие насыщения транзистора имеет вид: Iкн ≤ BIб. Оно определяется
отношением тока Iб к Iкн. Из условия насыщения видно, что для насыщения
транзистора достаточно создать ток базы Iбн = Iкн/B, который называется
базовым током насыщения. Параметром насыщения транзистора является
степень насыщения S = Iб / Iбн.
Базовый ток насыщения I бн = 100 мкА.
В режиме насыщения значительные изменения тока базы приводят к
незначительным изменениям UКЭ, т.е. в этом режиме транзистор потерял свои
усилительные свойства. При этом на выходе схемы формируется низкий
уровень напряжения, что соответствует логическому нулю.
Исследование ключа ОЭ
+9V
+9V
R7
1,2 k
SUPPLYVPS
R3
VT 1
20 k
to VOLTAGE HI DMM
or
SCOPE CHB+
to VOLTAGE LO DMM
GROUND
Рис. 17. Схема транзисторного ключа ОЭ
Перебрали схему рис. 16, заменив в ней источник сигнала управления.
Вместо источника VPS подключите функциональный генератор FGEN. Вместо
резистора R7 поставим более высокоомный резистор R15=10кОм, чтобы
ввести транзистор в режим насыщения при ограниченных амплитудных
возможностях FGEN (2.5В) по сравнению с VPS (12В), так как используемый
транзистор имеет коэффициент усиления порядка 50, а R3=20кОм оставлен в
схеме.
Выбрали из меню FGEN, установим прямоугольную Waveform, установим
частоту 1kHz, нулевое значение DC Offset и амплитуду импульсов Peak
Amplitude, равную 2,5 В.
Подключили Scope каналом CHA+ к входу схемы, а каналом CHB+ к
выходу ключа ОЭ.
Рис. 18. Диаграмма зависимости выходного напряжения от входного, при
импульсном напряжении частотой f=1 кГц и амплитудой UВХ = 2.5 В на входе
ключа ОЭ
Разомкнутому состоянию ключа соответствует режим отсечки
транзистора (транзистор заперт), а замкнутому - режим насыщения
(транзистор открыт).
Транзисторный ключ – один из самых распространенных элементов
импульсных устройств. Главное назначение транзистора, работающего в
ключевом режиме, это замыкание и размыкание цепи. Усилительные свойства
транзистора в этом режиме отсутствуют.
Вывод:
Были исследованы усилительный и ключевые режимы работы
биполярного транзистора. Усилительный
режим
транзистора
обычно
используется в усилительных каскадах. Для этого режима характерно
усиление входного напряжения по мощности за счет управляющего
напряжения. В ключевых режимах (режим отсечки и режим насыщения)
усилительные свойства транзистора отсутствуют. Эти режимы применяются
как аналог механического ключа для замыкания и размыкания электрической
цепи.