Лабораторная работа.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ С ОБЩИМ ИСТОКОМ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с конструкцией транзисторов, изучить

схемы включения транзисторов и режимы работы транзисторов;

снять вольтамперные характеристики ( ВАХ ) транзистора типа _______ по схеме с общим истоком и определить основные статические параметры по характеристикам.

2. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ТРАНЗИСТОРА ________:

Максимальная рабочая частота, МГц f_гр ____

Крутизна характеристики, S ____

Начальный ток стока, типовое значение, мА I_{си_______}

Напряжение отсечки, типовое значение, В U_зи ____

Ток утечки затвора, не более, нА I_з0 ____

Активная составляющая выходной проводимости, мкСм Y_____

Предельное постоянное напряжение сток- исток, В I_с _____

Предельное постоянное напряжение затвор- исток, В I_зи _____

Предельная рассеиваемая мощность, мВт Р_с _____

3. СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРА:

VT

А1

R1_ОГР

–

+

U1

V2

V1

E2

_

+

4. ОБОРУДОВАНИЕ

4.1. Ознакомится с установкой для проведения лабораторной работы, и собрать схему. Установка содержит:

- блок цифровых измерителей – два вольтметра, два амперметра и универсальный измеритель (АмперВольтОмметр) АВО;

- панели управления регулируемыми источниками питания;

- панели стендов для исследования изучаемых элементов, схем и устройств.

В установке имеются пять регулируемых источников питания: +U1, -U2, +E1, -E2 с пределами установки от 0 до 22 В ±20%, +E3 с пределом установки от 0 до 400 В ±20%. Для установки заданного напряжения на панели управления используются два потенциометра. Один используется как установочный (грубо), а второй регулировочный (плавно).

Каждый измеритель имеет встроенный кабель на входе. Вольтметры имеют одиночный проводник, с помощью которого измеряется напряжение в заданной точке относительно общей (корпуса установки). Амперметры имеют кабель из двух проводников с вилкой на конце. Для подключения амперметра на панелях стендов встроены гнёзда для вилки. Гнёзда установлены таким образом, чтобы цепь замыкалась амперметром.

4.2. Для проведения лабораторной работы используется стенд общего назначения, приборы измерительного блока (два вольтметра и два амперметра) и регулируемые источники питания U1 – полжительной полярности и Е2 – отрицательной полярности. На печатной плате припаян исследуемый транзистор и два контактных вывода. Перед сборкой схемы необходимо изучить расположения элементов на стенде.

На стенде имеются гнёзда и схема соединений.

- Гнёзда с индексами U1, U2, E1, E2, E3 используются для подключения амперметров. К этим гнёздам подключены выходы соответствующих источников питания.

- Гнёзда на выходе амперметров предназначены для подключения вольтметров.

- Три гнезда предназначены для подключения печатной платы.

- переключатель положения включения элементов исследования.

Собрать схему исследования:

- Установить пределы измерения в амперметрах 20 мА; в вольтметрах 20 В.

- Вставить вилку амперметра А1 в гнездо «U1».

- Проводник вольтметра V1 вставить в гнездо на выходе амперметра А1.

- Вставить вилку амперметра А в гнездо «Е2».

- Проводник вольтметра V2 вставить в гнездо на выходе амперметра А2.

- Включить источник питания U на панели управления. Потенциометр «плавно» установить в крайнее правое положение, а потенциометром «грубо» проверить пределы установки напряжения. Если изменения напряжения происходят в пределах от 0 и до того, когда начинает мигать табло вольтметра (превышение предела), можно считать входную цепь исправной. Установить напряжение U1= 0 В

- Включить источник питания Е2 на панели управления. Потенциометр «плавно» установить в крайнее правое положение, а потенциометром «грубо» проверить пределы установки напряжения. Если изменения напряжения происходят в пределах от 0 и до того, когда начинает мигать табло вольтметра (превышение предела), можно считать цепь истока исправной. Установить напряжение Е2 = 0.

- переключатель S1 поставить в положение «ОЭ».

- Вставить печатную плату с транзистором.

На этом можно считать, что схема подготовлена для проведения измерений.

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.

5.1 Провести измерения для определения выходных характеристик.

Порядок проведения измерений для определения семейства выходных характеристик.

-В начале снимается начальная характеристика (U_си) при U_зи = 0.

а) Установить ручками потенциометра источника U1 на панели источников питания напряжение, равное нулю, по вольтметру V1;

б) Устанавливать ручками потенциометра источника Е2 заданные напряжения в таблице по вольтметру V2 и записывать показания амперметра А2;

-Далее подобным образом поводятся измерения для определения характеристик при значениях U_зи = (+0,5) В и (+1,0) В.

Показания измерений записываются в таблицу 1.

-Поданным таблицы рассчитать выходную проводимость и внутреннее сопротивление канала сток- исток

Y_си = , R_си =

Расчёт активной выходной проводимости Y проводить в диапазоне изменения напряжения на стоке U_си= (8 – 10) В, в средней характеристике при U_зи = 0,5 В.

Таблица 1.

Uси, В	Ic, мА
	Uзи=0в	Uзи=0,5В	зи=1В
0
1
2
4
6
8
10
12

-Нарисовать семейство выходных характеристик.

5.2. Провести измерения для определения семейства проходных характеристик с общим истоком, I_c =f(U_зи) при U_си = const, и заполнить таблицу 2.

Порядок проведения измерений для определения семейства проходных характеристик.

- Провести измерения при напряжении на стоке U_си = - 6 В:

а) Установить напряжение на стоке U_си = - 6 В потенциометрами регулируемого источника Е2;

б) Установить напряжение на затворе U_зи = 0 В потенциометрами регулируемого источника U1, записать показания амперметра «А2» тока стока в первую графу таблицы;

в) Увеличивать напряжение на затворе до того, когда значение тока стока (амперметр «А2») станет равным нулю и записать показания вольтметра «V1» (напряжение на затворе) в последнюю графу. Это будет напряжение отсечки U_{зи отс}. Для того, чтобы точно определить напряжение отсечки, необходимо установить ток стока на амперметре «А2» (20-30) мкА. Это соответствует показаниям амперметра «0,020».

г) Показания U_{зи отс} разделить на семь () и записать равномерно значения от нуля до максимального значения в первую строку U_зи. Устанавливать значения на затворе по вольтметру «V1» и записывать показания ток стока по амперметру «А2»

- Подобным образом провести измерения при напряжении на стоке U_си = - 12 В.

Таблица 2.

Ucи = -6В	Uзи, В	0
	Ic, мА								0
Uси=-12В	Uзи, В	0
	Iс, мА								0

Расчёт крутизны S проводить в диапазоне изменения тока стока предыдущего задания и при напряжении U_си= -12 В,

; Значения ∆I_с выбирать из таблицы 2

1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие типы полевых транзисторов используются в электронных устройствах?

2.Чем отличаются транзисторы со встроенным p-n переходом от транзисторов с изолированным затвором?

3. Как устроен полевой транзистор со встроенным p-n переходом?

4. Объясните принцип работы полевого транзистора.

5. Как определить полярность напряжения на стоке?

6. Почему усилители на полевых транзисторах имеют большое входное сопротивление?

7. Как маркируются полевые транзисторы?

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, по току или мощности за счёт преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Другими словами любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента. Таким элементом в современной электронике является транзистор биполярный или полевой. Связь между источником управляющего сигнала и нагрузкой осуществляется, как правило, с помощью цепи каскадов усилителей. Каждый каскад выполняет определённую функцию и обладает определёнными параметрами.

Классификация усилителей осуществляется по различным признакам, основными из которых являются:

-вид усиливаемого сигнала (гармонический или импульсный);

-тип усиливаемой величины (ток, напряжение или мощность);

-диапазон усиливаемых частот (постоянного или переменного тока);

- вид связи (гальваническая, ёмкостная или индуктивная);

- вид нагрузки (активная, активно-индуктивная или ёмкостная).

К важнейшим характеристикам усилителя относят: коэффициент усиления, полоса пропускания, входное и выходное сопротивления, выходная мощность, степень искажения усиленного сигнала.

Для получения высоких коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения. Каскадная схема усилителя, как правило, содержит три функционально отличительных каскада усиления: предварительный, промежуточный и выходной (усилитель мощности). Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и всего усилителя в целом. Основное требование, предъявляемое к предварительному усилителю – обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при минимальных искажениях. Промежуточный усилитель обеспечивает оптимальное согласование между предварительным усилителем и усилителем мощности. Выходной усилитель мощности предназначен для получения на выходе всего устройства мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определённые функции.

На рис1 представлена схема усилительного каскада на транзисторе типа npn с общим эмиттером. Сопротивление нагрузки R_К включается в цепь коллектора. Cогласно второму закону Кирхгоффа, уравнение коллекторной цепи может быть записано

Е_к = I_к R_к + Uкэ.

Максимально возможный ток в цепи будет в том случае, когда всё напряжение питания установится на сопротивлении нагрузки R_К ,

При U_КЭ = 0 I_КМАКС = , а при I_К=0 U_КЭ = Е_К.

Следовательно, при использовании выходной характеристики (рис.2) изменение напряжения на коллекторе и тока коллектора будет изменяться по прямой между этими координатными точками. Эта линия называется нагрузочной прямой (нагрузочной или динамической характеристикой). Линия пересекает семейство выходных ВАХ и устанавливает граничные значения напряжений на коллекторе U_кмин и U_кмакс на участке линейного режима между точками «В» и «С». На этом участке изменения тока коллектора и напряжения коллектор- эмиттер U_кэ происходят линейно и пропорционально управляющему току базы. На участке от точки В (U_кмакс) до Е_к устанавливается режим отсечки. .Граничное значение тока базы в режиме отсечки I_б  0, при этом в цепи коллектора протекает неуправляемый тепловой ток I_кб0 – это точка «В» на характеристике. В режиме отсечки сопротивление между переходами коллектор эмиттер очень большое, практически равно бесконечности. В этом режиме считается цепь коллектора разомкнутой. На участке от точки С (U_кмин) до 0 устанавливается режим насыщения. Граничная характеристика в точке В указывает минимальное значение базового тока для режима насыщения I_бнас = . В режиме насыщения сопротивление между переходами коллектор эмиттер очень мало, практически равно нулю. В этом режиме цепь коллектора считается замкнутой.

При подаче на вход гармонического сигнала с использованием входной характеристики рис. 3б) работа иллюстрируется временными диаграммами на рис. 3, а,б,в,г. Изменения напряжения на базе рис.3а), создают пропорциональное изменение тока базы рис 3в) и тока коллектора. При этом напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе рис 3г).

Исходный режим работы усилительного элемента выбирается рабочей точкой на нагрузочной прямой. Анализ работы усилительного элемента по семействам ВАХ проводится с использованием метода аксонометрических построений. На рис 3 представлен линейный режим усиления напряжения. Для этого выбирается рабочая точка «А» на середине нагрузочной прямой, а амплитуда входного сигнала создаёт ток базы в пределах больше нуля и меньше тока базы насыщения I_бнас. Выходное напряжение U_кэ = U_вых повторяет входной сигнал без искажений и в противофазе.

Диаграммы представлены на рис 4.Такой режим работы усилителя относят к классу «А».

Если амплитуда входного сигнала создаёт ток базы, превышающий ток насыщения I_бнас с одной стороны и создаёт обратное напряжение на базе, выходное напряжение будет иметь двухстороннее ограничение. Напряжения ограничений, приведённые ко входу, будут на уровнях U_б0 с одной стороны и U_бнас с другой.

На рис 5 приведён случай, когда рабочая точка выбрана вблизи режима отсечки. Усилительный элемент на транзисторе проводимости npn будет реагировать только на положительные сигналы. Сигналы отрицательной полярности будут ограничиваться на уровне U_б0, когда отсутствует ток базы. Если уровень напряжения не создаёт тока базы превышающего ток насыщения, то положительный сигнал усиливается без ограничения. Этот каскад используется в устройствах, которые предназначены для преобразования положительных сигналов. Основным преимуществом является малое потребление энергии в исходном режиме. Такой режим работы усилителя относят к классу «В»

В соответствии с требованиями, предварительный усилитель должен работать строго в линейном режиме, в режиме класса «А». Режим работы обеспечивается выбором начальной рабочей точки транзистора. При использовании биполярного транзистора рабочая точка может быть выбрана: постоянным током базы (рис.6 а); постоянным напряжением на базе (рис.6б); постоянным током эмиттера (рис.6 в). Конденсаторы С_ВХ и С_ВЫХ называют разделительными. Они препятствуют связи транзистора с источником входного сигнала и нагрузки по постоянному току, что исключает возможность изменение режима работы по постоянному току.

Стабильность работы усилителя зависит от условий эксплуатации. Основное влияние на стабильность работы оказывает температура. Для повышения стабильности работы в усилителях применяются отрицательные обратные связи по постоянному току. Наибольшей стабильностью обладает усилитель, собранный по схеме на (рис. 6 в), за счёт последовательной отрицательной обратной связи по току. Каскад обладает большим входным сопротивлением. Этот метод используется в схемотехнике современной микроэлектронной технологии. Недостатком этой схемы является то, что необходимо применять два разнополярных независимых источника питания относительно общей точки (+Е_К и Е_Э).

При использовании дискретных элементов с одним источником питания температурная стабильность обеспечивается применением отрицательной обратной связи по цепи коллектора (Рис. 7 а) или по цепи эмиттера (Рис. 7 б)

Схема с коллекторной стабилизацией обеспечивает лучшую стабильность начального режима за счёт последовательной обратной связи по напряжению. Если за счёт каких либо причин, изменится ток коллектора на величину I_K, то пропорционально изменится падение напряжения на сопротивлении в коллекторной цепи U_Rk = I_КR_К, а, следовательно, изменится в противофазе напряжение на коллекторе

U_К = E_К – (I_К0 +  I_К) R_К,

где I_К0 – ток коллектора в рабочей точке.

Это напряжение является источником смещения базового тока

I_Б = .

Изменение напряжения на коллекторе изменит базовый, а следовательно и коллекторный токи к исходному состоянию.

В схеме с эмиттерной стабилизацией используется последовательная отрицательная обратная связь по току. Исходный режим устанавливается током эмиттера I_Э = = I_К0= const. Для создания напряжения на сопротивлении R_Э используется делитель напряжения в цепи базы на сопротивлениях R_Б1 и R_Б2

U_Rэ = ,

где U_БЭ – напряжение рабочей точки транзистора.

Под действием дестабилизирующих факторов изменение тока коллектора вызовет пропорциональное изменение напряжения на сопротивлении R_Э, которое изменит напряжение смещения рабочей точки транзистора в противофазе и ток базы, возвращая к исходному режиму. Под действием этого происходит изменение тока коллектора также к исходному состоянию. В усилительном каскаде с ОЭ применяется ООС по току, суть которой состоит в том, что делитель на резисторах R1 и R2 задает потенциал базы и тем самым жестко фиксирует потенциал эмиттера. Так как этот потенциал обусловлен падением напряжения на резисторе R_э, то тем самым задается и ток эмиттера. Чем меньше эквивалентное сопротивление базового делителя, тем меньше потенциал базы зависит от изменений базового тока и тем лучше стабильность рабочей точки. Однако, при этом возрастает мощность, потребляемая от источника питания и уменьшается входное сопротивление усилителя.

Если необходимо иметь стабильный режим по постоянному току и максимальное усиление по переменному току, вводят достаточно глубокую ООС увеличением сопротивления резистора R_э (0,1…1 кОм), параллельно которому подключается конденсатор большой емкости С_э. Условие для выбора емкости С_э: 2_минC_э R_э>>1, где _мин – минимальная частота сигнала.

Для усиления сигнала без ограничения его амплитуды выбор тока покоя коллектора I _К0 делают на основании условия обеспечения режим класса А: U_Rk=U_кэ≈U_mвых

По второму закону Кирхгофа

I _К0R_K+ U_кэ+ I _Э0R_Э=Е ,

где I _Э0 – ток покоя эмиттера.

Поскольку >>1, то можно принять I _К0= I _Э0, то (1) примет вид:

2I _Э0 R_K + I _Э0 R_Э =Е ,

откуда I _Э0 =

В базовой цепи по второму закону Кирхгофа:

U_Б = U_БЭ + I _Э0 R_Э

для кремниевых транзисторов U_БЭ=0,7…0,9В.

Поскольку U_Б = U_R2 , то ток делителя равен:

I _дел.= .

Через резистор R₁ протекает сумма тока базы покоя I _Б0 = и ток делителя, то

R₁(I _Б0 + I _дел) + U_БО=Е,

отсюда можно алгебраически можно вывести точное расчетное соотношение для величины U_БО, хотя на практике обычно используют приближенную формулу:

U_БО≈ I _Э0R_Э.

Тогда для ориентировочных расчетов можно принять .

Коэффициент усиления можно найти по приближенной формуле

К_U= . С учетом того, что в режиме класса А U_{m вых}≈ U_кэ , можно найти максимальное значение амплитуды входного сигнала:

U_{m вх} = .

Частотные свойства усилителя.

Показатели усилителя значительно отличаются в области низких, средних и высоких частот (на рис. 8 области НЧ, СЧ, ВЧ).

В области низких частот коэффициент усиления уменьшается из-за увеличения емкостных сопротивлений разделительных конденсаторов, которые включаются последовательно с источником сигналов и с нагрузкой. На нулевой частоте сопротивление разделительных конденсаторов равно бесконечности и при последовательном включении коэффициент передачи равен нулю. При недостаточно большой ёмкости блокировочного конденсатора С_э на НЧ снижается коэффициент усиление из-за появляющейся отрицательной обратной связи для переменной составляющей сигнала.

Н

0,707Кср

а средних частотах в полосе пропускания усилителя сопротивления разделительных и блокировочного конденсатора пренебрежимо малы, инерционность транзистора и его паразитные емкости не влияют на коэффициент усиления, который остаётся практически постоянным в достаточно широкой полосе частот.

На высоких частотах начинает сказываться инерционность транзистора, а также паразитные емкости монтажа и распределённые ёмкости элементов схемы, которые имеют эквивалентное включение параллельно. В пределе, при f→∞, выход усилителя по переменному напряжению оказываются закороченным на корпус. При этом коэффициент передачи станет равным нулю. В итоге амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) будет иметь вид, представленный на рис.8. Полосой пропускания усилителя называют разность между верхней f_в и нижней f_н частот. Граничные значения частот определяются частотами, на которых коэффициент усиления на три дециБела (3дБ) меньше коэффициента на средней частоте (на уровне 0,7 К_U).