1.Цель работы

1.1. Приобрести навыки по снятию и исследованию вольтамперных характеристик биполярных транзисторов.

1.2. Овладеть навыками расчёта основных параметров биполярного транзистора и выбора его режимов работы  в усилительном каскаде  по вольтамперным характеристикам.

 

2. Содержание работы

2.1. Снятие статистических входной и семейства выходных характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

2.2. Построение входной и семейства выходных характеристик, линий нагрузки  и выбор режимов работы транзистора в усилительном каскаде.

2.3. Определение основных параметров транзисторного усилительного каскада,  работающего в выбранных режимах.

 

3.Особенности правил и мер техники безопасности при  проведении экспериментальных исследований

3.1.Земельные зажимы (┴) многопредельного вольтметра соединяйте с земельным (┴) зажимом лабораторного стенда ЭС-4. Следите за правильным выбором пределов измерения вольтметра.

3.2.Выполняйте общие правила техники безопасности при работе в электротехнических  лабораториях.

 

4.Методические указания по подготовке к выполнению работы

4.1. Изучите тему «Транзисторы» ([1] с.30-35; [2] с. 102-106). При изучении темы усвойте основные определения, схемы включения, характеристики и параметры биполярных транзисторов, их достоинства и недостатки, режимы работы в усилительных каскадах.

4.2. Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя электродами (эмиттер, база, коллектор), обычно используемый для усиления мощности электрических сигналов.

     В зависимости от комбинаций примесей в полупроводнике  получают транзисторы типов p-n-p или n-p-n (рис.1), идентичные по усилительным свойствам, но отличающиеся направлением токов и полярностью напряжений, подаваемых на электроды (к эмиттерному переходу  прикладывается прямое, к коллекторному─обратное напряжение смещения).

 

Рис. 1.Типы и условные обозначения биполярных транзисторов на принципиальных схемах

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи, получают три различные схемы его включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или с общим коллектором (ОК). Наиболее распространена в усилителях схема с общим эмиттером, как дающая наибольшее усиление ─ одновременно и по току, и по напряжению (рис. 2). Принцип действия транзистора – см. приложение на странице 11.

                                                

 

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Расчёт параметров нелинейного прибора – биполярного транзистора – проводится графоаналитически по входным и выходным характеристикам.

Для схемы с ОЭ входной является зависимость I_Б(U_Б) при U_К=const (рис.3а), а выходной – зависимость I_К(U_К) при  I_Б =const (рис. 3б).

 

Рис. 3. Входная а) и семейство выходных б) характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

По входной характеристике (см. рис. 3а) определяют входное сопротивление транзистора для переменного тока:

По характеристикам (см. рис. 3) для выбранного I_Б  определяют:

         выходное сопротивление транзистора:    

         коэффициент передачи тока:   

              коэффициент усиления по напряжению:

где ΔU_К в точках пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками при I_Б1 и I_Б2; ΔU_Б

находят по входной характеристике для этих же I_Б1 и I_Б2.

         Параметры транзистора обычно определяются в окрестности рабочей точки РТ.

4.3. Подготовьте бланк отчёта, в котором приведите цель работы, принципиальную электрическую схему установки для исследований (рис. 4), таблицы результатов измерений (табл. 1, 2, 3, 4).

 

5. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 4) включает в себя стенд для исследования характеристик биполярного транзистора ЭС – 4 и многопредельный вольтметр PV1 постоянного тока.

На исследуемый транзистор VT напряжение подаётся от источника Е_ПИТ: величина U_Б устанавливается потенциометром  R₁ «Рег. напряжения  U_ВХ» и измеряется электронным вольтметром  PV1; величина U_К  устанавливается потенциометром R₂ «Рег. напряжения  Е _К» и измеряется вольтметром PV2 « Напряжение  Е _К», установленным на стенде  ЭС – 4. Токи в схеме контролируются магнитоэлектрическими приборами: I_Б – микроамперметромРА1 «I _ВХ»; I_Б – микроамперметром РА2 «I _К», установленными на стенде.

 

6. Последовательность выполнения работы

6.1. Подготовка стенда ЭС-4 для проведения исследований.

6.1.1. Соберите схему, показанную на рис.4, для чего установите тумблеры в следующие положения:

                            В12 – в положение «U_ВХ=»;

                            В14 - в положение «с общ. Эмиттером»;

                            В1, В3, В4, В6, В9, В11 - в положение «Вкл.».        

                            В2, В5, В7, В16 – в положение «Выкл.».

6.1.2 Потенциометры       «Рег. напряжения  Е_К» и «Рег. напряжения  U_ВХ» выведите (поверните до упора против часовой стрелки).

 

Рис. 4. Схема установки для снятия характеристик биполярных транзисторов.

6.1.3. Подсоедините электронный вольтметр PV1, включённый на предел измерения (1-2)В постоянного, к гнёздам стенда, причём «земляной» провод вольтметра (┴) подключается к «земле»  (┴) стенда.

6.1.4. Включите питание стенда ЭС-4 и электронного вольтметра и дайте им прогреться в течение 1-2 минут.

6.2. Снятие входной характеристики транзистора «Рег. напряжения  U_ВХ» (U_Б) при U_К=const.

6.2.1. С помощью «Рег. напряжения  Е_К» установите по вольтметру PV2 напряжение Е_К=5В (стандартное значение).

6.2.2. С помощью «Рег. напряжения  U_ВХ» устанавливайте фиксированные значения тока базы по микроамперметру РА 1 «Ток I_ВХ» и измеряйте соответствующие им значения напряжения на базе (контролируются электронным вольтметром). При измерениях имейте в виду, что изменение тока базы и, следовательно, тока коллектора транзистора вызывает изменение  Е_К, которое необходимо поддерживать неизменным на заданном уровне.

6.2.3. Результаты измерения занести в табл. 1.

                                                                   Таблица 1

Статистическая входная характеристика при Е_К=5В

IБ, мкА	0	5	10	20	40	80	120	160	200
UБ, мB

    6.2.4. По данным таблицы 1 постройте входную характеристику биполярного транзистора U_Б (I_Б) при U_К=5В (см. рис. 3а).

    6.3. Снятие семейства выходных характеристик I_К(U_К) при  I_Б =const.

    6.3.1. Последовательно устанавливая значения I_Б («Рег. напряжения  U_ВХ») и U_К («Рег. напряжения  Е_К»), указанные в таблице 2, измерьте соответствующие им значения I_К по миллиамперметру РА 2 «ток I_К».

      Табл. 2 лучше заполнять по столбцам, т.е. для первого значения тока базы I_Б провести измерения I_К при всех заданных значениях  U_К, затем установить следующее  I_Б и т. д. Необходимо помнить, что изменения значения U_К  влечет за собой изменения I_Б , которые необходимо поддерживать неизменным для каждой выходной характеристики. Результаты измерений занесите в табл.2.

Таблица 2.

Семейство статистических выходных характеристик.

Ток базы IБ,мкА Напряжение UК,В	20	40	80	120	160	200
	Ток коллектора IК, А
0,5
3
6
9
12
15

6.3.2.По данным табл.2 постройте семейство выходных характеристик транзистора I_К(U_К) при  I_Б =const  ( см. рис. 3б.)

6.4.Определение положений возможных рабочих точек транзистора (определение режимов работы транзистора в усилительном каскаде).

6.4.1.Соберите схему усилительного каскада с общим эмиттером (рис.5) для чего установите тумблеры в положение:                        

                            В12 – в положение «U_ВХ=»;

                            В14 - в положение «с общ. Эмиттером»;

                            В1, В3, В4, В6, В9, В11 - в положение «Вкл.».

                            В2, В5, В7, В16 – в положение «Выкл.».

6.4.2.Потенциометром «Рег. напряжения  Е_К» установите Е_К=15В, «Рег. напряжения  U_ВХ» установите U_ВХ=0 (U_Б=0; I_Б =0).

6.4.3.Устанавливая переключателями В3, В4 различные значения R_К, измерьте соответствующие им значения токов покоя коллектора I_КП и занесите в табл.3 ( Режим покоя транзистора – значения напряжений и токов его электродов при отсутствии входного сигнала).

6.4.4.На графике семейства выходных характеристик (см. рис. 6) биполярного транзистора проведите линии нагрузок в соответствии с уравнением U_К= Е_К- I_К* R_К. Линия нагрузки – прямая, которая строится по 2 точкам: N (I_К=0; U_К =Е_К) и M (U_К=0; I_К= Е_К/ R_K). На каждой линии нагрузки найдите оптимальную рабочую точку РТ_А, которая выбирается в середине линейного участка переходной характеристике I_К(I_Б)  или примерно в середине рабочего участка mN линии нагрузки. Нанесите на линии нагрузок рабочие точки(РТ), найденные экспериментально, в соответствие с данными таблицы 3.

Таблица 3.

RК, кСм	1	2	3
IК0, мА

6.4.5.Выберите из трех экспериментально определенных рабочих точек расположенной наиболее близко относительно своей оптимальной и потому наиболее подходящую для работы усилителя в режиме (классе) А – РТ_А. Режим усилителя определяется положением РТ на переходной характеристике или на линии нагрузки: А – РТ лежит посередине линейного участка переходной характеристики, то есть примерно посередине рабочего участка mN линии нагрузки (РТ_опт на рис. 6); класс В – РТ находится в самом начале переходной характеристики при I_Б=0 или на пересечении линии нагрузки и оси абсцисс. Значения U_КП и I_КП в РТ называют напряжением и током покоя транзистора.

 

Рис.5.Схема усилительного каскада с общим эмиттером.

6.4.6.Определите координаты выбранной экспериментальной  рабочей точки РТ_А: I_КП, U_КП, I_БП, U_БП  - по входной и выходным характеристикам  транзистора и занесите значения в табл.4

Дальнейшие исследования усилительных каскадов и параметров транзистора выполняются для выбранной РТ_А. Соответствующее значение R_К занесите в табл.4.

6.5.Определение параметров транзистора, работающего в выбранном режиме класса А.

6.5.1.По семейству выходных характеристик определите максимальные амплитуды положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения (рис.6), а также наибольшую величину действующего значения выходного неискаженного синусоидального сигнала:  

6.5.2.Определите параметры биполярного транзистора в окрестности РТ_А по методике, приведенной в п.4.2. и рис.3.

6.5.3. Определите входное и выходное сопротивления усилительного каскада с учетом того, что R_Б1, R_Б2 и R_ВХ по отношению к входному сигналу соединены параллельно, а также R_К и R_ВЫХ  по отношению к выходному сигналу соединены также параллельно:

где значения R_Б1 и R_Б2 указаны на панели стенда.

6.5.4. Результаты экспериментов и расчетов сведите в табл. 4.

6.6. Для выбранного R_К обозначьте рабочую точку, соответствующую работе усилительного каскада в режиме класса В. Определите U ⁺_{ВЫХ. МАХ}  и U^-_{ВЫХ. МАХ}, а также изобразите форму выходного напряжения в этом режиме при синусоидальном входном сигнале U_ВХ=50 мВ. Результаты занесите в таблицу 4.

 

7. Содержание отчета

7.1. Цель работы.

7.2. Принципиальная схема лабораторной установки для снятия вольтамперных характеристик биполярных транзисторов (рис.4).

7.3. Таблицы с экспериментальными данными и результатами расчетов (№№ 1, 2, 3, 4).

7.4. Графики статических входной и выходных характеристик с линиями нагрузок и рабочими точками.

7.5. Расчет параметров транзистора в выбранных режимах работы.

 

8. Контрольные вопросы

8.1. Что называется биполярным транзистором? Что характеризует определение «биполярный»?

8.2. Какие существуют основные типы биполярных транзисторов? Какие их условные обозначения на схемах?

8.3. Поясните кратко принцип действия биполярного транзистора.

8.4. Какие существуют схемы включения транзисторов?

8.5. Что называют входной и выходными характеристиками?

8.6. Какие параметры биполярного транзистора определяют по его входным и выходным характеристикам?

8.7. Что называют коэффициентом передачи тока и коэффициентами усиления по напряжению и мощности?

8.8. Как определить положение рабочей точки в режимах класса А и класса В?

8.9. Как определить точки и напряжения покоя транзисторного каскада?

8.10. каковы достоинства и недостатки биполярного транзистора?

8.11. Сравните значение U_БП, найденное по входной характеристике транзистора с вычисленным по формуле:   

8.12. Сравните значение U_{ВЫХ. НАИБОЛЬШ.}, измеренное экспериментально с вычисленным по формуле:

 

Приложение. Принцип действия транзистора

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, поэтому через него протекает ток эмиттера I_Э. Дырки из эмиттера, где они являются основными носителями, попадают в область базы. Здесь они уже являются неосновными носителями и рекомбинируют с электронами - основными носителями базы, создавая ток базы. Поскольку база легирована значительно слабее эмиттера, количество электронов в ней в десятки и в сотни раз меньше, чем дырок, поступающих из эмиттера. Поэтому рекомбинирует небольшая (около 1%) часть дырок, (I_Б << I_Э), а остальные распределяются по базе вследствие диффузии. Так как область базы очень тонкая, то практически все попавшие туда дырки оказываются в зоне обратно смещенного перехода коллектор-база.

Являясь для базы неосновными носителями, дырки под влиянием электрического поля коллектора перемещаются через закрытый переход в область коллектора, где они вновь становятся основными носителями заряда. Возникает I_К= I_Э- I_Б или, учитывая, что I_Б << I_Э, I_К≈ I_Э.

Таким образом, изменение на небольшую величину  U_БЭ для управления открытым n-p переходом, изменяет I_Э в широких пределах. Благодаря тонкой базе, почти весь ток эмиттера передается в коллектор, а из-за того, что коллекторный переход смещен в обратном направлении, цепь коллектора практически изолирована от эмиттера и базы, и изменение U_К и R_К не влияет на I_К, U_Б и I_Б.

Все это позволяет с помощью небольших по величине U_Б и I_Б изменять в широких пределах значительно большие значения U_К и I_К.

 

На главную

В начало