ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;
- получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;
- получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;
- установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.
2. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро¬сами:
- устройство и принцип работы биполярного транзистора,
- основные характеристики биполярного транзистора,
- схемы включения биполярного транзистора и режимы его работ,
- особенности работы транзистора в режиме малого сигнала.
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимо-действующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зави-симости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их ус¬ловные обозначения и устройство приведены на рис. 5.1.
Рис.5.1. Условные обозначения и устройство транзисторов
p-n-p (а, б) и n-p-n (в, г) типов (показано смещение переходов
транзисторов при работе в линейном режиме)
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте (низкочастотные -не более 3 МГц; средней частоты - от 3 МГц до 30МГц; высокочастотные - от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные - более 300 МГц) и по мощ¬ности (маломощные - не более 0,3 Вт; средней мощности - от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности - более 1,5 Вт).
Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные тран-зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.
Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.
Широкое распространение в последние годы получили составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.
В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В ре¬жиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки - оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным - это режим пробоя.
Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложен¬ных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда пере¬ход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению UБЭ, через него протекает ток базы IБ. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток кол¬лектора определяется выражением:
(5.1)
где - статический коэффициент передачи тока базы.
Прямое падение напряжения UБЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:
(5.2)
где - обратный ток коллекторного перехода, а - температурный потенциал, который при температуре Т=300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.
Из выражения (5.2) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условии UБЭ > ток коллектора возрастает с ростом на¬пряжения UБЭ по экспоненциальному закону:
(5.3)
где UБЭ IКН, где IКН - ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется со¬ставлением RК цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК:
(5.10)
Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы IБН:
(5.11)
Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопротивление резистора RБ следует выбрать равным:
(5.12)
В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения IКН и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:
(5.13)
Рабочая точка транзисторного каскада
Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задает¬ся током базы и напряжением на коллекторе.
Базовый ток транзистора в схеме (рис. 5.4) определяется как ток че¬рез сопротивление в цепи базы RБ:
(5.14)
Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.5.5а)
Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рис 5.5б.).
Значение тока коллектора можно вычислить по формуле:
(5.15)
Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линий нагрузки цепи коллектора:
(5.16)
В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на рези¬сторе RK падения напряжения. Следовательно, напряжение UKЭ макси¬мально и равно напряжению источника питания Ек. Данный режим соответствует точке 2 на рис. 5.5б.
Рис.5.5. Определение рабочей точки транзистора по
входной (а) и выходной (б) волътамперным
характеристикам транзистора
Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала
При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных ис-кажениях. Характерной особенностью данного режима является то, что при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.
Расчет режима малого сигнала состоит в нахождении постоянных и переменных составляющих токов и напряжений в транзисторном каскаде Расчет постоянных составляющих позволяет найти параметры рабочей точки транзисторного каскада (статический режим). Расчет переменных]составляющих - усилительные свойства каскада в этой точке.
Коэффициент усиления
По напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:
(5.17)
Величина этого параметра в схеме с общим эмиттером приближенно равна отношению сопротивления в цепи коллектора rK к сопротивлению в цепи эмиттера rЭ:
(5.18)
Сопротивление в цепи коллектора rK определяется параллельным соединением сопротивления коллектора RK и сопротивления нагрузки RH, роль которого может играть, например, входное сопротивление следующего каскада:
(5.19)
Сопротивление в цепи эмиттера rЭ это сопротивление эмиттерного перехода, равное rЭ = 25мВ/IЭ- , причем в силу малости тока базы можно считать Iэ≈Iк. Если в цепи эмиттера включен резистор сопротивлением RЭ, то коэффициент усиления следует рассчитывать по формуле:
(5.20)
Важными параметрами транзисторного каскада являются также входное и выходное сопротивления.
Входное сопротивление усилителя по переменному току определя¬йся как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения и входного тока :
(5.21)
Входное сопротивление усилителя по переменному току вычисляет¬ся как параллельное соединение входного сопротивления транзистора и резисторов в цепи смещения базы. В схеме рис.5.4 используется один резистор RБ, поэтому входное сопротивление каскада равно:
(5.22)
Значение дифференциального выходного сопротивления схемы на¬ходится по напряжению UХХm холостого хода на выходе усилителя и по напряжению UBЫXm, измеренному для сопротивления нагрузки RH, из сле¬дующего уравнения, решаемого относительно rвых:
(5.23)
Выбор рабочей точки транзисторного каскада определяет особен¬ности работы транзисторного каскада. Максимальная величина неискаженного переменного напряжения на выходе может быть получена при условии, когда в статическом режиме постоянное напряжение на коллекторе равно половине напряжения коллекторного источника питания UК =ЕК/2.
При неудачном выборе амплитуды входного сигнала и величины базового смещения возникают искажения: выходное напряжение принимает несинусоидальную форму. Для устранения искажений нужно скорректировать положение рабочей точки или уменьшить амплитуду входного сигнала.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
базовый лабораторный стенд.
Лабораторный модуль Lab4A для исследования характеристик биполярного транзистора типа КТ3102Д.
4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Установите лабораторный модуль Lab4 на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис. 5.6.
При исследовании характеристик биполярного транзистора исполь¬зуется схема, изображенная на рис.5.7.
Рис. 5.6. Внешний вид модуля Lab4A для исследования характеристик биполярного транзистора Рис. 5.7. Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик биполярного транзистора
Загрузите и запустите программу Lab-4A.vi.
После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать ра¬боту». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполне¬ния задания 1 (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1
Задание 1. Определение коэффициента передачи биполярного транзистора по постоянному току
5.1.1. Установите с помощью ползунковых регуляторов, находящихся на передней панели ВП, напряжения источников питания ЕБ и ЕК, примерно равными указанным в табл.5.1, и измерьте с помощью ВП соответ¬ствующие значения тока коллектора IK, тока базы IБ и напряжения коллектор-эмиттер UКЭ. Полученные результаты запишите в табл. 5.1.
5.1.2. Вычислите по формуле (5.5) и запишите в табл.5.1 значения статического коэффициента усиления транзистора βDC. Сделайте вывод о влиянии напряжения коллектор-эмиттер Uкэ на коэффициент усиления транзистора.
Таблица 5.1
ЕБ, В ЕK, В IK, мА IБ, мкА UКЭ,В βDC
1,25 5
2,5 5
5 5
1,25 10
2,5 10
5 10
5.1.3. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 2 (рис.5.9).
Рис. 5.9. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2
Задание 2. Получение входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
5.2.1. С помощью цифрового элемента управления, находящегося на
передней панели ВП, установите значение напряжения питания коллектора
Ек, равным 5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости входного тока IБ транзистора от входного напряжения UБЭ.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.
5.2.2. Изменяя напряжение источника ЭДС базы ЕБ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение тока базы сначала примерно равным 10 мкА, а затем примерно равным 40 мкА. Запишите в отчет значения тока базы IБ и напряжения база-эмиттер UБЭ для этих точек входной характеристики.
5.2.3. Вычислите дифференциальное входное сопротивление транзи¬стора при изменении базового тока от 10 мкА до 40 мкА по формуле rВХ = ΔUБЭ/ΔIБ. Полученное значение запишите в отчет.
5.2.4. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 3», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 3 (рис.5.10).
Рис. 5.10. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3
Задание 3. Получение семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
5.3.1. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появятся графики зависимостей коллекторного тока IК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ, полученные при плавном изменении напряжения на коллекторе транзистора от 0 до 10 В и фиксированных зна¬чениях напряжения источника ЭДС базы ЕБ = 0,6 В; 0,74 В; 0,88 В; 1,02 В; 1,16 В. Установившиеся при этом значения тока базы IБ отображаются на поле графика.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индика¬торе, на страницу отчета. Средствами MS Word для каждой кривой от¬метьте соответствующие значения тока базы транзистора.
При фиксированном коллекторном напряжении, равном UКЭ =5 В, определите ток коллектора IК, соответствующий значениям тока ба¬зы, при которых снимались выходные характеристики.
Для этого с помощью расположенного на панели ВП ползункового регулятора «X» установите вертикальную визирную линию напротив де¬ления «5 В» горизонтальной оси графика выходных характеристик. Затем с помощью горизонтальной визирной линии, перемещаемой ползунковым регулятором «Y», получите значения коллекторного тока в точках пересе¬чения выходных характеристик с вертикальным визиром. Полученные ре¬зультаты запишите в отчет.
5.3.4. Определите коэффициент передачи тока βАС при изменении
тока базы в диапазоне от 10 мкА до 40 мкА по формуле
Полученное значение запишите в отчет.
5.3.5. Выберите сопротивление коллектора равным RK =300 Ом. а ЭДС коллекторного источника питания Ек - 5 В, и средствами MS Woгd постройте в отчете на графике выходных характеристик транзистора линию нагрузки по двум точкам: точка Ек = 5 В на оси абсцисс и точка IК=EK/RK на оси ординат.
5.3.6. Оцените по выходным характеристикам и линии нагрузки значения тока коллектора Iк* и тока базы IБ* в рабочей точке, для которой UK =ЕК/2. Полученные значения запишите в отчет.
5.3.7. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к заданию 4», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 4 (рис.5.11).
Рис. 5.11. Лицевая панель ВП при выполнении задания 4
ЗАДАНИЕ 4: Установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером
5.4.1. Установите с помощью органов управления ВП амплитуду напряжения источника входного гармонического напряжения UВX.m =0, и величину напряжения источника ЭДС коллектора Ек = 5 В. Нажмите кнопку «Измерение».
На графике выходных характеристик транзистора появится изобра¬жение линии нагрузки. Сравните его с изображением, полученным при выполнении п.5.3.5.
5.4.2. Регулируя ЭДС источника смещения базы ЕБ, установите значение тока базы IБ, равное значению, полученному в п.5.3.6. Измерьте и запишите в табл.5.2 параметры статического режима транзисторного усилителя с общим эмиттером.
Таблица 5.2
IБ, мкА UБЭ,в IK, мА UK, B
5.4.3. Плавно увеличивая амплитуду входного сигнала UВX.m получи¬те на графическом индикаторе ВП максимальный неискаженный выходной сигнал. Скопируйте изображение выходного сигнала в отчет. Сопоставьте осциллограммы и сделайте вывод о соотношении фаз входного и выходно¬го сигналов транзисторного каскада с общим эмиттером.
5.4.4. С помощью ВП измерьте значения амплитуд входного UBX и выходного UBЫX сигналов. Для этого, используя визирные линии графиче¬ских индикаторов, определите по осциллограммам входного и выходного сигналов максимальные и минимальные мгновенные значения указанных напряжений. При отсчете значений напряжения используйте цифровые индикаторы, совмещенные с ползунковыми регуляторами ВП. Для опреде¬ления амплитуды сигналов используйте формулу Um=(Umax-Umin)/2. Полу¬ченные результаты запишите в отчет.
5.4.5. Используя полученные значения амплитуды входного и вы¬ходного сигналов, определите по формуле (5.17) коэффициент усиления транзисторного каскада. Результат запишите в отчет.
5.4.6. Вычислите коэффициент усиления транзисторного каскада по формуле (5.18). Результат запишите в отчет. Сравните измеренное и рас¬считанное значения коэффициента усиления. Объясните полученный ре¬зультат.
5.4.7 Исследуйте, как влияет положение рабочей точки на работу транзисторного каскада с общим эмиттером. Для этого, регулируя напря¬жение ЭДС источника смещения базы ЕБ, измените значение тока базы примерно на 30% от величины IБ, полученной в разделе 5.3.6, сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения. Пронаблюдайте ха¬рактер искажения выходного сигнала. Скопируйте в отчет изображение, полученное на графическом индикаторе ВП в обоих случаях. Объясните причину наблюдаемых искажений выходного сигнала.
Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку «За¬вершение работы».
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Изобразите возможные схемы включения биполярного транзистора.
2. Укажите факторы, определяющие силу тока, протекающего через коллектор биполярного транзистора.
3. Зависит ли коэффициент βDC от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обоснуйте ответ.
4. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер?
5. Зависит ли дифференциальное входное сопротивление биполярное транзистора от тока эмиттера?
6. Чем определяется положение рабочей точки биполярного транзистора?
7. При каком условии биполярный транзистор будет находиться в режиме отсечки?
8. Чем определяется падение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения?
9. Какова разность фаз между входным и выходным гармоническими сигналами в усилительном каскаде с общим эмиттером?
10. Чем определяется коэффициент усиления по напряжению в транзисторном каскаде с общим эмиттером?
11. Объясните, как работает ВП при выполнении заданий лабораторной работы.
12. Насколько точно определены в работе параметры биполярного транзистора? От чего может зависеть качество полученных результатов?
Скачать работу:
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;
- получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;
- получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;
- установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.
2. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро¬сами:
- устройство и принцип работы биполярного транзистора,
- основные характеристики биполярного транзистора,
- схемы включения биполярного транзистора и режимы его работ,
- особенности работы транзистора в режиме малого сигнала.
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимо-действующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зави-симости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их ус¬ловные обозначения и устройство приведены на рис. 5.1.
Рис.5.1. Условные обозначения и устройство транзисторов
p-n-p (а, б) и n-p-n (в, г) типов (показано смещение переходов
транзисторов при работе в линейном режиме)
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте (низкочастотные -не более 3 МГц; средней частоты - от 3 МГц до 30МГц; высокочастотные - от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные - более 300 МГц) и по мощ¬ности (маломощные - не более 0,3 Вт; средней мощности - от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности - более 1,5 Вт).
Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные тран-зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.
Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.
Широкое распространение в последние годы получили составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.
В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В ре¬жиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки - оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным - это режим пробоя.
Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложен¬ных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда пере¬ход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению UБЭ, через него протекает ток базы IБ. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток кол¬лектора определяется выражением:
(5.1)
где - статический коэффициент передачи тока базы.
Прямое падение напряжения UБЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:
(5.2)
где - обратный ток коллекторного перехода, а - температурный потенциал, который при температуре Т=300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.
Из выражения (5.2) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условии UБЭ > ток коллектора возрастает с ростом на¬пряжения UБЭ по экспоненциальному закону:
(5.3)
где UБЭ IКН, где IКН - ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется со¬ставлением RК цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК:
(5.10)
Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы IБН:
(5.11)
Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопротивление резистора RБ следует выбрать равным:
(5.12)
В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения IКН и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:
(5.13)
Рабочая точка транзисторного каскада
Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задает¬ся током базы и напряжением на коллекторе.
Базовый ток транзистора в схеме (рис. 5.4) определяется как ток че¬рез сопротивление в цепи базы RБ:
(5.14)
Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.5.5а)
Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рис 5.5б.).
Значение тока коллектора можно вычислить по формуле:
(5.15)
Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линий нагрузки цепи коллектора:
(5.16)
В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на рези¬сторе RK падения напряжения. Следовательно, напряжение UKЭ макси¬мально и равно напряжению источника питания Ек. Данный режим соответствует точке 2 на рис. 5.5б.
Рис.5.5. Определение рабочей точки транзистора по
входной (а) и выходной (б) волътамперным
характеристикам транзистора
Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала
При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных ис-кажениях. Характерной особенностью данного режима является то, что при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.
Расчет режима малого сигнала состоит в нахождении постоянных и переменных составляющих токов и напряжений в транзисторном каскаде Расчет постоянных составляющих позволяет найти параметры рабочей точки транзисторного каскада (статический режим). Расчет переменных]составляющих - усилительные свойства каскада в этой точке.
Коэффициент усиления
По напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:
(5.17)
Величина этого параметра в схеме с общим эмиттером приближенно равна отношению сопротивления в цепи коллектора rK к сопротивлению в цепи эмиттера rЭ:
(5.18)
Сопротивление в цепи коллектора rK определяется параллельным соединением сопротивления коллектора RK и сопротивления нагрузки RH, роль которого может играть, например, входное сопротивление следующего каскада:
(5.19)
Сопротивление в цепи эмиттера rЭ это сопротивление эмиттерного перехода, равное rЭ = 25мВ/IЭ- , причем в силу малости тока базы можно считать Iэ≈Iк. Если в цепи эмиттера включен резистор сопротивлением RЭ, то коэффициент усиления следует рассчитывать по формуле:
(5.20)
Важными параметрами транзисторного каскада являются также входное и выходное сопротивления.
Входное сопротивление усилителя по переменному току определя¬йся как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения и входного тока :
(5.21)
Входное сопротивление усилителя по переменному току вычисляет¬ся как параллельное соединение входного сопротивления транзистора и резисторов в цепи смещения базы. В схеме рис.5.4 используется один резистор RБ, поэтому входное сопротивление каскада равно:
(5.22)
Значение дифференциального выходного сопротивления схемы на¬ходится по напряжению UХХm холостого хода на выходе усилителя и по напряжению UBЫXm, измеренному для сопротивления нагрузки RH, из сле¬дующего уравнения, решаемого относительно rвых:
(5.23)
Выбор рабочей точки транзисторного каскада определяет особен¬ности работы транзисторного каскада. Максимальная величина неискаженного переменного напряжения на выходе может быть получена при условии, когда в статическом режиме постоянное напряжение на коллекторе равно половине напряжения коллекторного источника питания UК =ЕК/2.
При неудачном выборе амплитуды входного сигнала и величины базового смещения возникают искажения: выходное напряжение принимает несинусоидальную форму. Для устранения искажений нужно скорректировать положение рабочей точки или уменьшить амплитуду входного сигнала.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
базовый лабораторный стенд.
Лабораторный модуль Lab4A для исследования характеристик биполярного транзистора типа КТ3102Д.
4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Установите лабораторный модуль Lab4 на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис. 5.6.
При исследовании характеристик биполярного транзистора исполь¬зуется схема, изображенная на рис.5.7.
Рис. 5.6. Внешний вид модуля Lab4A для исследования характеристик биполярного транзистора Рис. 5.7. Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик биполярного транзистора
Загрузите и запустите программу Lab-4A.vi.
После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать ра¬боту». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполне¬ния задания 1 (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1
Задание 1. Определение коэффициента передачи биполярного транзистора по постоянному току
5.1.1. Установите с помощью ползунковых регуляторов, находящихся на передней панели ВП, напряжения источников питания ЕБ и ЕК, примерно равными указанным в табл.5.1, и измерьте с помощью ВП соответ¬ствующие значения тока коллектора IK, тока базы IБ и напряжения коллектор-эмиттер UКЭ. Полученные результаты запишите в табл. 5.1.
5.1.2. Вычислите по формуле (5.5) и запишите в табл.5.1 значения статического коэффициента усиления транзистора βDC. Сделайте вывод о влиянии напряжения коллектор-эмиттер Uкэ на коэффициент усиления транзистора.
Таблица 5.1
ЕБ, В ЕK, В IK, мА IБ, мкА UКЭ,В βDC
1,25 5
2,5 5
5 5
1,25 10
2,5 10
5 10
5.1.3. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 2 (рис.5.9).
Рис. 5.9. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2
Задание 2. Получение входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
5.2.1. С помощью цифрового элемента управления, находящегося на
передней панели ВП, установите значение напряжения питания коллектора
Ек, равным 5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости входного тока IБ транзистора от входного напряжения UБЭ.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.
5.2.2. Изменяя напряжение источника ЭДС базы ЕБ с помощью ползункового регулятора, расположенного на панели ВП, установите значение тока базы сначала примерно равным 10 мкА, а затем примерно равным 40 мкА. Запишите в отчет значения тока базы IБ и напряжения база-эмиттер UБЭ для этих точек входной характеристики.
5.2.3. Вычислите дифференциальное входное сопротивление транзи¬стора при изменении базового тока от 10 мкА до 40 мкА по формуле rВХ = ΔUБЭ/ΔIБ. Полученное значение запишите в отчет.
5.2.4. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 3», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 3 (рис.5.10).
Рис. 5.10. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3
Задание 3. Получение семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
5.3.1. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появятся графики зависимостей коллекторного тока IК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ, полученные при плавном изменении напряжения на коллекторе транзистора от 0 до 10 В и фиксированных зна¬чениях напряжения источника ЭДС базы ЕБ = 0,6 В; 0,74 В; 0,88 В; 1,02 В; 1,16 В. Установившиеся при этом значения тока базы IБ отображаются на поле графика.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индика¬торе, на страницу отчета. Средствами MS Word для каждой кривой от¬метьте соответствующие значения тока базы транзистора.
При фиксированном коллекторном напряжении, равном UКЭ =5 В, определите ток коллектора IК, соответствующий значениям тока ба¬зы, при которых снимались выходные характеристики.
Для этого с помощью расположенного на панели ВП ползункового регулятора «X» установите вертикальную визирную линию напротив де¬ления «5 В» горизонтальной оси графика выходных характеристик. Затем с помощью горизонтальной визирной линии, перемещаемой ползунковым регулятором «Y», получите значения коллекторного тока в точках пересе¬чения выходных характеристик с вертикальным визиром. Полученные ре¬зультаты запишите в отчет.
5.3.4. Определите коэффициент передачи тока βАС при изменении
тока базы в диапазоне от 10 мкА до 40 мкА по формуле
Полученное значение запишите в отчет.
5.3.5. Выберите сопротивление коллектора равным RK =300 Ом. а ЭДС коллекторного источника питания Ек - 5 В, и средствами MS Woгd постройте в отчете на графике выходных характеристик транзистора линию нагрузки по двум точкам: точка Ек = 5 В на оси абсцисс и точка IК=EK/RK на оси ординат.
5.3.6. Оцените по выходным характеристикам и линии нагрузки значения тока коллектора Iк* и тока базы IБ* в рабочей точке, для которой UK =ЕК/2. Полученные значения запишите в отчет.
5.3.7. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к заданию 4», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 4 (рис.5.11).
Рис. 5.11. Лицевая панель ВП при выполнении задания 4
ЗАДАНИЕ 4: Установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером
5.4.1. Установите с помощью органов управления ВП амплитуду напряжения источника входного гармонического напряжения UВX.m =0, и величину напряжения источника ЭДС коллектора Ек = 5 В. Нажмите кнопку «Измерение».
На графике выходных характеристик транзистора появится изобра¬жение линии нагрузки. Сравните его с изображением, полученным при выполнении п.5.3.5.
5.4.2. Регулируя ЭДС источника смещения базы ЕБ, установите значение тока базы IБ, равное значению, полученному в п.5.3.6. Измерьте и запишите в табл.5.2 параметры статического режима транзисторного усилителя с общим эмиттером.
Таблица 5.2
IБ, мкА UБЭ,в IK, мА UK, B
5.4.3. Плавно увеличивая амплитуду входного сигнала UВX.m получи¬те на графическом индикаторе ВП максимальный неискаженный выходной сигнал. Скопируйте изображение выходного сигнала в отчет. Сопоставьте осциллограммы и сделайте вывод о соотношении фаз входного и выходно¬го сигналов транзисторного каскада с общим эмиттером.
5.4.4. С помощью ВП измерьте значения амплитуд входного UBX и выходного UBЫX сигналов. Для этого, используя визирные линии графиче¬ских индикаторов, определите по осциллограммам входного и выходного сигналов максимальные и минимальные мгновенные значения указанных напряжений. При отсчете значений напряжения используйте цифровые индикаторы, совмещенные с ползунковыми регуляторами ВП. Для опреде¬ления амплитуды сигналов используйте формулу Um=(Umax-Umin)/2. Полу¬ченные результаты запишите в отчет.
5.4.5. Используя полученные значения амплитуды входного и вы¬ходного сигналов, определите по формуле (5.17) коэффициент усиления транзисторного каскада. Результат запишите в отчет.
5.4.6. Вычислите коэффициент усиления транзисторного каскада по формуле (5.18). Результат запишите в отчет. Сравните измеренное и рас¬считанное значения коэффициента усиления. Объясните полученный ре¬зультат.
5.4.7 Исследуйте, как влияет положение рабочей точки на работу транзисторного каскада с общим эмиттером. Для этого, регулируя напря¬жение ЭДС источника смещения базы ЕБ, измените значение тока базы примерно на 30% от величины IБ, полученной в разделе 5.3.6, сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения. Пронаблюдайте ха¬рактер искажения выходного сигнала. Скопируйте в отчет изображение, полученное на графическом индикаторе ВП в обоих случаях. Объясните причину наблюдаемых искажений выходного сигнала.
Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку «За¬вершение работы».
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Изобразите возможные схемы включения биполярного транзистора.
2. Укажите факторы, определяющие силу тока, протекающего через коллектор биполярного транзистора.
3. Зависит ли коэффициент βDC от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обоснуйте ответ.
4. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер?
5. Зависит ли дифференциальное входное сопротивление биполярное транзистора от тока эмиттера?
6. Чем определяется положение рабочей точки биполярного транзистора?
7. При каком условии биполярный транзистор будет находиться в режиме отсечки?
8. Чем определяется падение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения?
9. Какова разность фаз между входным и выходным гармоническими сигналами в усилительном каскаде с общим эмиттером?
10. Чем определяется коэффициент усиления по напряжению в транзисторном каскаде с общим эмиттером?
11. Объясните, как работает ВП при выполнении заданий лабораторной работы.
12. Насколько точно определены в работе параметры биполярного транзистора? От чего может зависеть качество полученных результатов?
Скачать работу: