Исследование транзисторов и однокаскадных усилителей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Цель работы: исследование статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером; исследование одиночных усилительных каскадов при работе на средних частотах.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема для исследования транзисторов

и однокаскадных усилителей на транзисторах

В схеме исследуется транзистор МП41А. Напряжение питания коллекторной цепи транзистора подается от источника питания ± 15 В, регулируется потенциометром «Рeг. Ек» и контролируется вольтметром «Ек». Ток коллектора измеряется миллиамперметром «Iк», ток базы - микроамперметром «Iвх», который включен в диагональ моста для измерения среднего значения входного тока. Переключателями В1, В12 входная цепь транзистора подключается к источнику постоянного или переменного входного напряжения, величина которого регулируется потенциометром «Рeг. Uвх» и измеряется переносным электронным вольтметром. Тумблерами В2, В5 подается смещение на базу транзистора; тумблерами В8, B10, В16 к выходу усилительного каскада подключается нагрузка. Сопротивления в коллекторной и эмиттерной цепях включаются тумблерами В5, В4, В6, В9, B11 (в положении «Вкл» тумблер замкнут), эмиттерная стабилизация включается тумблерами B6, В7. Переменное напряжение на входе и выходе каскадов измеряется переносным электронным вольтметром переменного тока. Форма выходного сигнала контролируется осциллографом.

Пояснений и указания к работе

Транзистор это полупроводниковый прибор с тремя внешними выводами, предназначенный для усиления и генерирования сигналов. Транзистор имеет трехслойную структуру: p-n-p или n-p-n. Крайние области структуры называют эмиттером и коллектором, средний слой - базой (рис. 3.2, а).

Рис. 3.2. Транзисторная структура (а) и изменение потенциального

барьера (б) при наличии внешних напряжений

При отсутствий внешнего напряжения на переходах транзистора устанавливается состояние термодинамического равновесия, когда Iдиф. = Iдрейфа. Поэтому результирующий ток через переходы и через транзистор равен нулю. В том случае когда концентрации примеси в эмиттерном и коллекторном слоях равны, то высота потенциального барьера φ = φ0 в обоих переходах одинакова (рис. 3.2, б).

При подаче прямого напряжения на эмиттерный переход (ЭП) и обратного на коллекторный переход (KП) потенциальный барьер ЭП уменьшится, а КП увеличится на величину приложенного напряжения. Начнется усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Возникнет ток эмиттера Iэ = Iэ р + Iэ п. Так как Iэ п << Iэ р из-за низкой концентрации носителей в базе, то Iэ ≈ Iэ р. Отношение Iэ р /Iэ называется коэффициентом инжекции. Инжектированные в базу дырки диффундируют к коллекторному переходу за счет перепада плотности дырок по длине базы. За время диффузии часть дырок рекомбинирует в базовой области с электронами, вызывая приток электронов в базу от внешнего источника. В результате возникает ток базы, являющийся частью тока эмиттера (Iб = (5…10)% Iэ). Дырки, дошедшие до коллекторного перехода, втягиваются полем перехода в коллектор, образуя ток коллектора Iк р. Отношение Iк р /Iэ называется коэффициентом передачи тока α

α = Iк р /Iэ = Iк р Iэ р /Iэ Iэ р = γδ*, (3.1)

где δ* - коэффициент переноса дырок в базе α = 0,95 … 0,995.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении, через него будет протекать еще обратный (тепловой) ток Iк0, обусловленный, дрейфом неосновных носителей. С учетом этого тока Iк = Iк р + Iк0 = αIэ + Iк0. По первому закону Кирхгофа Iэ = Iк + Iб, отсюда Iб = Iэ – Iк = (1– α)Iэ – Iк0. При изменении входного тока на величину ∆Iэ изменяется выходной ток на величину ∆Iк = α∆Iэ. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Характеристики транзистора показывают связь между токами транзистора и напряжениями на его электродах. Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Существует три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рис. 3.3, а), с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.3, б) и с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3, в) в зависимости от того, какой электрод является общим для входного и выходного сигналов.

Рис. 3.3. Способы включения транзистора

Наибольшее применение находит включение транзистора с ОЭ, т.к. входной (управляющий) ток Iб мал, Rвx - сотни Ом, Rвыx - единицы, десятки кОм, коэффициент передачи (усиления) тoкa ; (β = 10…100). Усиление по напряжению Кu >> 1.

Наименьшее применение находит включение с ОБ, т.к. Rвx мало (единицы Ом); Кi = ∆Iвых/∆Iвх = ∆Iэ/∆Iк = α < 1.

Входные | и выходные | статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ приведены на рис. 3.4.

При Uкэ = 0 входная характеристика (рис. 3.4, а) соответствует прямой ветви BАX двух p - n переходов (эмиттерного и коллекторного), включенных параллельно.

При повышении Uкэ характеристики смещаются вправо вследствие модуляции толщины базы. При Uбэ = 0 и Uкэ ≠ 0 инжекция носителей из эмиттера в базу отсутствует, и в цепи базы протекает ток –Iко.

Рис. 3.4. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора

в схеме ОЭ

Выходные характеристики имеют три области. В области I при Uкэ = 0 коллекторный переход (КП) смещен в прямом направлении и инжектирует дырки (электроны) в базу. Потоки дырок (электронов) через КП (oт коллектора в базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются, и ток Iк ≈ 0. При увеличении Uкэ до Uкэн = 0,2…1В прямое напряжение на КП снижается. Инжекция уменьшается и Iк возрастает. На участке II при Uкэ > Uкэн ток коллектора почти не зависит от Uкэ, так как на участке II КП смещен в обратном направлении, поэтому поле, создаваемое напряжением Uкэ, приложено к КП и не оказывает влияния на диффузию дырок (электронов) в базе. Некоторое увеличение Iк при увеличении Uкэ вызвано модуляцией толщины базы. При росте тока базы характеристики смещаются вверх, т.к. Iк = βIб + Iко. Резкое увеличение Iк. на участке III вызвано лавинным размножением носителей в КП.

Выходные характеристики транзистора при повышении температуры смещаются вверх, т.к. с ростом температуры увеличиваются ток коллектора Iк0 и коэффициенты передачи тока α и β = α/(1 – α).

На практике в цепь коллектора включают резистор Rк (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Динамический режим работы транзистора (а) и выходные характеристики (б)

В этом случае Iк = (Eк ‒ Uкэ)/Rк - это уравнение линии нагрузки, которая проходит через две точки: Iк = 0, то Uкэ = Eк, и если Uкэ = 0, то Iк = Eк/Rк. Линия нагрузки служит для выбора режима (точки) покоя транзистора.

В зависимости от того, какой участок выходных характеристик пересекает линия нагрузки, транзистор может работать в трех режимах: активном (ему соответствует участок bc линии нагрузки на рис. 3.5, б), насыщения (участок ab) и отсечки (участок cd). Активный режим используется в схемах усилителей и генераторов синусоидальных колебаний, режимы насыщения и отсечки - в импульсных схемах. При работе транзистора в активном режиме точка покоя выбирается в середине участка bc. Ей соответствуют параметры режима покоя: Iкп, Iбп, Uкэп.

Эквивалентные схемы и параметры транзистора. Для анализа и расчета схема с транзисторами, работающими в активном режиме, применяют эквивалентные схемы. При малых изменениях токов и напряжений, когда связь между ними можно считать линейной, транзистор можно заменить отражающей его структуру Т-образной эквивалентной схемой (схемой замещения), показанной на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема замещения транзистора в физических параметрах,

в схемах ОБ (а) и ОЭ (б)

Здесь: rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

rэ = dUэ/dIэ|Uкб = const, (rэ = [Ом]);

rк - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ;

rк* - то же в схеме ОЭ;

rк = dUкб/dIк|Iэ = const;

rк* = rк(1 – α) = rк/(1 + β), rк = (0,5 … 2) мОм;

rб - объемное сопротивление базы, rб = (100 … 400) Ом;

αiэ и βiб - эквивалентные источники тока, отражающие передачу тока от эмиттера к коллектору в схеме ОБ и от базы к коллектору в схеме ОЭ;

α и β - дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока;

ɛUкб - источник напряжения (отражает влияние эффекта модуляции базы на входную цепь транзистора), ɛ = (10 …10 );

Cэ(б), Ск(б) и Сэ, Ск* - емкости эмиттерного и коллекторного переходов;

Ск* = (1 + β) Ск(б);

Параметры, входящие в Т-образные схемы замещения, характеризуют физические свойства используемой полупроводниковой структуры и называются внутренними или физическими. Рассчитываются теоретически по геометрическим размерам слоев и параметрам полупроводника, контролируются в процессе изготовления транзистора.

На практике пользуются параметрами транзистора как активного линейного четырехполюсника (рис.3.7).

Рис. 3.7. Четырехполюсник

Связь между входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) напряжениями и токами четырехполюсника выражается системой двух уравнений. Принимая в качестве независимых переменных приращения входного тока ∆I1 и выходного напряжения ∆U2, приращения входного напряжения ∆U1 и выходного тока ∆I2 выражают через h-параметры.

∆U1 = h11∆I1 + h12∆U2

(3.2)

∆I2 = h12∆I1 + h22∆U2

где h11 = ∆U1/∆I1, - входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (∆U2 = 0); h12 = ∆U1/∆U2 - коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (∆I1 = 0);

h21 = ∆I2/∆I1- коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении (∆U2 = 0); h22 = ∆I2/∆U2 - выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе (∆I1 = 0).

Эквивалентная схема транзистора в системе h-параметров имеет вид (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Схема замещения транзистора в системе h-параметров

Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, от положения рабочей точки, температуры и частоты. Их можно определить по входным (h11, h12) и выходным (h21, h22) и характеристикам транзистора путем построения характеристических треугольников в рабочей точке транзистора (рис. 3.4).

h11 = (∆Uэб / ∆Iб)|Uкэ = const = AB / AC, Ом;

h12 = (∆Uбэ / ∆Uкэ)|Iб = const = AB / (Uкэ2 ‒ Uкэ1);

h21 = ∆Iк / ∆Iб|Uкэ = const = AD / (Iб3-Iб2);

h22 = ∆Iк / ∆Uкэ |(Iб = const) = bc + bꞌcꞌ / bbꞌ, Сим;

Внутренние параметры связаны с h-параметрами следующими соотношениями

rб = h12б / h22б ≈ h11э – (h12э (1 + h21э) / h22э);

rэ = h11б – (h12б / h22б)(1 + h21б) ≈ h12э / h22э;

rк = 1 / h22б ≈ (1 + h21э) / h22э; (3.3)

α = ‒ h21б ≈ h21э / 1 + h21э;

β = α / 1 – α ≈ – h21б / 1 + h21б ≈ h21э.

Усилительный каскад ОЭ. (Рис. 3.9) Каскад состоит из транзистора, источника питания Ек и резистора Rк, образующих главную цепь каскада. За счет протекания тока коллектора, изменяющегося при изменении тока базы, создается усиленное переменное напряжение на выходе. Резисторы R1, R2 и Rк

Рис. 3.9. Усилительный каскад с ОЭ

задают режим покоя транзистора. Для стабилизации режима покоя в эмиттерную цепь включена цепочка RэCэ.

Источник усиливаемых сигналов с ЭДС е г подключается к входу каскада через разделительный конденсатор С1, который не пропускает постоянный ток от источника Ек в цепь источника сигнала е г, ток от источника е г на вход транзистора, a также предотвращает шунтирование входной цепи транзистора источником сигнала е г. Нагрузка подключается к коллектору транзистора и общей шине через разделительный конденсатор С2, который не пропускает в нагрузку постоянную составляющую тока коллектора.

При отсутствии входного сигнала через транзистор протекают токи покоя Iбп, Iкп, Iэп. Выходное напряжение равно нулю. Баланс напряжений в цепи источника Ек для этого режима Ек = Uкэп + IкпRк + IэпRэ.

Ток Iкп и напряжение Uкэп можно найти графически по координатам точки пересечения выходной характеристики, соответствующей току Iбп и линии нагрузки по постоянному току (рис. 3.5, б).

При подаче на вход каскада переменного входного напряжения в цепи базы появляется переменная составляющая тока iб ~, в цепи коллектора переменная составляющая iк ~ = βiб ~ и переменное выходное напряжение Uвых, связанное с током iк ~ линией нагрузки по переменному току (линия ef, рис. 3.5, б), которая проходит через точку покоя п под углом γ, котангенс которого пропорционален результирующему сопротивлению в цепи коллектора по переменному току ctg γ = RкRн / (Rк + Rн).

Входное и выходное напряжения каскада с ОЭ находятся в противофазе, т.к. при положительной полуволне входного напряжения ток базы а, следовательно, и ток коллектора увеличиваются, падение напряжения на резисторе Rк увеличивается, потенциал коллектора по отношению к общей точке уменьшается.

Стабилизация режима покоя. Характеристики и параметры транзистора зависят от температуры. С изменением температуры изменяются ток Iко, напряжение Uбэ и коэффициенты передачи тока α и β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к изменению Iкп при изменении температуры и изменению режима покоя каскада, что может привести к искажению формы кривой Uвых. Изменение режима покоя может произойти при замене одного транзистора другим аналогичной марки.

Для стабилизации режима покоя в схему вводится отрицательная обратная связь (OOС) по току, по напряжению и комбинированная.

В схеме на рис. 3.9 для стабилизации режима покоя применена ООС по постоянному току. В цепь эмиттера включен резистор Rэ. Для устранения ООС по переменному току, уменьшающей коэффициент усиления каскада, резистор Rэ зашунтирован конденсатором Сэ. При повышении температуры увеличится ток Iко, что приведет к увеличению тока Iкп = βIбп + Iко и тока Iэп. Точка покоя сместится по линии нагрузки вверх (рис. 3.5). С увеличением Iэп увеличится падение напряжения на Rэ, (URэ = IэпЯэ) и уменьшится напряжение Uбэ = UR2 ‒ URэ, а следовательно, уменьшится ток Iбп и Iкп, точка покоя вернется в исходное положение.

Для определения основных показателей каскада с ОЭ воспользуемся эквивалентной схемой для средних частот (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема замещения каскада с ОЭ

Здесь транзистор представлен схемой замещения в физических параметрах. В схеме отсутствуют конденсаторы C1, С2 и Сэ, т.к. их сопротивление на средних частотах мало. Резистор Rэ также отсутствует, т. к. по переменному току он зашунтирован конденсатором Сэ. Сопротивление источника питания Ек по переменному току равно нулю.

1. Входное сопротивление каскада

Rвх = Rб || rвх = Rбrвх / (Rб + rвx), (3.4)

где rвх = rб + (1 + β)rэ - сопротивление входной цепи транзистора;

Rб = R1R2/(R1 + R2) - эквивалентное сопротивление делителя в цепи базы.

2. Коэффициент усиления по току

, (3.5)

Если r^*_к >> Rк||Rн

, (3.6)

Если Rб ≥ (2…5)rвх

, (3.7)

3. Коэффициент усиления по напряжению, вычисленный относительно Uвх

, (3.8)

Этот же коэффициент относительно eг

, (3.9)

4. Выходное сопротивление каскада

, (3.10)

5. Коэффициент усиления по мощности

КP = Pн/Pвх = KuKi, (3.11)

Амплитудная характеристика усилительного каскада показывает зависимость выходного напряжения от входного напряжения Uвых = f(Uвх).

Если Uвх < Uвх.мин, то Uвых ≠ 0 ввиду наличия на выходе напряжения собственных шумов усилителя. Участок аб соответствует пропорциональной зависимости Uвых от Uвх. Транзистор работает на линейных участках характеристик. При Uвх > Uвх.макс пропорциональная зависимость Uвых от Uвх нарушается, т.к. транзистор работает в нелинейном режиме.

Каскад с ОK (Эмиттерный повторитель). Назначение элементов С1, С2, R1 такое же, как в каскаде с ОЭ. Входное напряжение подается между базой и общей точкой, выходное напряжение снимается с резистора Rэ между эмиттером и общей точкой. Коллектор по переменному току заземлен через малое сопротивление источника питания Ек и является общей точкой для входной и выходной цепей.

При Uвх = 0 через транзистор протекают токи покоя, Uвых = 0. При подаче на вход переменного Uвx в цепи базы появляется переменная составляющая тока базы, в цепи эмиттера - переменная составляющая тока эмиттера iэ ~, которая создает на Rэ выходное напряжение Uвых = Rэiэ ~. Uвx и Uвыx находятся в фазе, т.к. при положительной полуволне Uвx ток iб и ток iэ увеличиваются, падение напряжения на Rэ возрастает и потенциал эмиттера становится более положительным по отношению к общей точке. Коэффициент усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх ≤ 1, т.к. в каскаде с ОК вследствие отсутствия конденсатора Сэ, шунтирующего резистор Rэ (рис.3.9), имеет место стопроцентная последовательная ООС по напряжению, т.е. все выходное напряжение последовательно вводится во входную цепь (Uвх = Uбэ + + Uвых). Такая ООС увеличивает Rвх (до 500 кОм) и уменьшает Rвых каскада (десятки, сотни Ом). Каскад с ОК применяется для согласования сопротивлений между высокоомным источником Uвх и низкоомной нагрузкой.

Порядок работы

1. Включить приборы в сеть;

2. Снять статические характеристики транзистора по схеме ОЭ. Для этого:

2.1. Тумблер B14 поставить в положение «С общим эмиттером»;

2.2. Подать на вход постоянное напряжение (В12 в положении «Uвх», тумблер В1 в положении «Вкл.»);

2.3. Отключить нагрузку схемы и зашунтировать резисторы в эмиттерной и коллекторной цепях (тумблеры В3, В4, В6, В9, В11 - в положении «Вкл», тумблеры В2, В5, В7, B16 - выключить).

2.4. Подать питание на стенд (тумблер «Сеть» - включить);

2.5. Задавая потенциометром «Peг. Uвх» ток базы по микроамперметру, и поддерживая Uкэ постоянным (с помощью потенциометра «Рег. Ек»), снять входные характеристики транзистора Iб = f(Uбэ) при Uкэ = 0В, ‒5 В, ‒10 В. Напряжение Uбэ измерять переносным электронным вольтметром. Результаты измерений записать в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

Iб, мкА								Примечание
Uбэ, В								Uкэ = 0 В
							Uкэ = ‒5 В
							Uкэ = ‒10 В

2.6. Задавая потенциометром «Рег. Ек» напряжение на коллекторе и, поддерживая ток базы постоянным (с помощью потенциометра «Peг. Uвх.»), снять выходные характеристики транзистора Iк = f(Uкэ) при Iб = const.

Результаты измерений записать в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

Uкэ, В	0,1	0,2	0,5	1,0	5,0			Примечание
Iк, мА								Iб = 50 мкА
							Iб = 100 мкА
							Iб = 150 мкА
							Iб = 200 мкА
							Iб = 250 мкА

2.7. По данным таблиц 3.1 и 3.2 построить семейство входных и выходных характеристик транзистора. На линейных участках характеристик построить характеристические треугольники (рис. 3.4) и определить h- параметры. Используя выражения (3.3), рассчитать внутренние параметры транзистора.

3. Разомкнуть тумблер B1 и подать на вход переменное напряжение (В12 - в положении «Uвх ~»).

3.1. Снять и построить амплитудную характеристику Uвых = f(Uвх) усилительного каскада ОЭ (рис. 3.9) при Ек = ‒ 12B (тумблеры В2, В5, В7, В9, B11, B16 включены; В6 - выключен).

Значения сопротивлений в цепи коллектора и нагрузки взять из табл. 3.3. Входное напряжение задавать потенциометром "Peг. Uвx". Результаты измерений записать в таблицу 3.4.

Таблица 3.3.

№ варианта
Схема с ОЭ	Rк, кОм
Rн, кОм	4,3	5,3	1,0	4,3	5,3	1,0	4,3	5,3	1,0
Схема с ОК	Rэ, кОм							2,1	2,1	2,1
Rн, кОм	4,3	5,3	1,0	4,3	5,3	1,0	4,3	5,3	1,0

Uвх, мВ											Примеч
Uвых, В											Rк =   Rн =

Таблица 3.4.

Зарисовать форму выходного напряжения для линейного и нелинейного режимов работы схемы.

3.2. Снять и построить амплитудную характеристику Uвых = f (Uвх) усилительного каскада с ОК (рис. 3.12) при Ек = ‒12 В (тумблер В14 в положении "С общим коллектором"; В2, В3, В4, В16 в положения "Вкл."; В5, В7 выключены). Значения сопротивлений Rэ и Rн взять из таблицы 3.3. Результаты измерений записать в таблицу, аналогичную таблице 3.4.

4. Используя выражения 3.4, 3.6, 3.8, 3.10, 3.11 и значения внутренних параметров, рассчитанные в п. 2.7, определить Rвx, Rвых, Кu, Кi и КР каскада с ОЭ. Расчетные значения сравнить с экспериментальными.

Контрольные вопросы

1. Поясните работу транзистора.

2. Дайте сравнительную оценку способов включения транзистора.

3. Объясните входные и выходные характеристики транзистора.

4. Что такое линия нагрузки? Каково ее назначение?

5. В каких режимах может работать транзистор, и чем они отличаются друг от друга?

6. Поясните T-образную схему замещения транзистора.

7. Поясните систему h-параметров транзистора.

8. Как определяются h-параметры по характеристикам?

9. Объясните влияние температуры на характеристики транзистора.

10. Поясните назначение элементов, входящих в схему усилительного каскада и принцип действия каскада с ОЭ.

11. Как осуществляется стабилизация режима покоя в каскаде с ОЭ?

12. Поясните принцип действия каскада с ОК. Почему каскад с ОК не усиливает по напряжению?

13. Поясните амплитудную характеристику усилительного каскада.

Дата добавления: 2014-11-29