
- •Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Донбасская государственная машиностроительная академия
- •Утверждено
- •1 Лабораторная работа №1
- •1.1 Теоретические сведения
- •1.2 Описание лабораторной установки
- •1.3 Порядок выполнения работы
- •1.4 Содержание отчета
- •1.5 Контрольные вопросы
- •2 Лабораторная работа №2
- •2.1 Теоретические сведения
- •2.2 Описание лабораторной установки
- •2.3 Порядок выполнения работы
- •2.4 Содержание отчета
- •2.5 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 3
- •4 Лабораторная работа №4
- •4.1 Теоретические сведения
- •4.2 Описание лабораторной установки
- •4.3 Порядок выполнения работы
- •4.4 Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •5 Лабораторная работа №5
- •Теоретические сведения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •1 Теоретические сведения
- •6.2 Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •7.1 Теоретические сведения
- •7.2 Описание лабораторной установки
- •7.3 Порядок выполнения работы
- •Составитель Виталий Карпович Лысак
4 Лабораторная работа №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ И УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
НА ТРАНЗИСТОРАХ
Цель работы: изучение принципа и основных свойств, исследование характеристик и параметров транзисторов и усилительных каскадов на транзисторах.
4.1 Теоретические сведения
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности.
Наиболее распространенными являются биполярные и полевые транзисторы.
Биполярный транзистор представляет собой структуру р-n-р или n-р-n типа, полученную в одном монокристалле полупроводника (рис. 4.1). Внутренняя область, разделяющая р-n-переходы, называется базой. Внешний слой, предназначенный для инжектирования носителей в базу, называется эмиттером, а р-n переход П1, примыкающий к эмиттеру, - эмиттерным. Другой внешний слой, экстрактирующий (вытягивающий) носители из базы, называется коллектором, а р-n переход П2 - коллекторным.
Транзистор - активный элемент, усиливающий мощность электрического сигнала. Это усиление происходит за счет потребления энергии внешних источников питания. Изменяя ток по входной цепи по определенному закону, можно получить в выходной цепи усиленный сигнал той же формы.
В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов является входным, второй выходным, а третий - общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Схемы различных усилительных каскадов для транзисторов типа n-р-n приведены на рис. 4.2.
Рисунок 4.1 – Структура и изображение на схемах биполярного транзистора типа р–n–р (а) и типа n–p–n (б)
Для транзисторов р-n-р типа в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направления токов. В усилительном режиме работы транзистора его эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном независимо от схемы включения.
Рисунок 4.2 – Схемы усилительных каскадов с общим эмиттером (а), с общим коллектором (б) м с общей базой (в)
Основными параметрами усилителей являются: коэффициент усиления по току К1 = ВЫХ/ВХ, коэффициент усиления по напряжению КU = UВЫХ /UВХ, коэффициент усиления по мощности КР = РВЫХ/РВХ, входное сопротивление RВХ =UВХ/IВХ, выходное сопротивление RВЫХ =
UВЫХ /IВЫХ, коэффициент полезного действия - отношение мощности, поступающей в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания,
= РН/РП.
Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером, имеющая наибольшее усиление мощности. Каждая схема включения характеризуется входными и выходными семействами статических вольт-амперных характеристик (рис. 4.3).
Статические ВАХ снимаются при отсутствии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Используя статические вольт-амперные характеристики можно определить приближенные значения h-параметров транзистора. Для определения h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выходных).
Рисунок 4.3 - Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора
Параметры рассчитываются по конечным приращениям токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:
UБЭ=h11IБ + h12UКЭ, (4.1)
К = h21IБ + h22UКЭ, (4.2)
где h11 = UБЭ / IБ UКЭ = const - внутреннее сопротивление транзистора;
h12 = UБЭ / UКЭ IБ = const - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;
h21 = К / IБ UКЭ = const - коэффициент передачи (усиления) по току;
h22 = К / UКЭ IБ = const - выходная проводимость транзистора.
Для определения параметров h11 и h12 схемы с общим эмиттером на семействе входных характеристик (рис. 4.1, а) в рабочей точке А строят треугольник АВС (из А проводят прямые, параллельные оси абсцисс и оси ординат до пересечения со второй характеристикой в точках В и С). Из полученного треугольника находим:
h11= UБЭ/IБ = АВ/АС (4.3)
h12=UБЭ/UКЭ= АВ/UКЭ2 - UКЭ1. (4.4)
В рабочей точке А/ на выходных характеристиках (рис. 3 б) определяют параметры h21 и h22:
h21 = К /IБ = А/D//(IБ2 - IБ1) (4.5)
h22= К/UКЭ = В/С//А/В/ (4.6)
При наличии сопротивления в выходной цепи получаем динамический режим работы транзистора. В таком режиме изменения коллекторного тока при ЕК = const и RН = const зависят не только от изменения базового тока, но и от изменений напряжения на коллекторе:
Uкэ = Ек - н Rк (4.7)
которое, в свою очередь, определяется изменениями как базового, так и коллекторного токов. То есть в динамике одновременно изменяются все токи и напряжения в транзисторе. Характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, называются динамическими. Они строятся на семействах статических ВАХ при заданных значениях ЕК и RК. Для построения динамической выходной характеристики схемы с общим эмиттером (рис. 4.4) используется уравнение динамического режима (4.7), которое представляет собой уравнение прямой. Точка пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора (точка Р). Изменяя Б, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя - РО. Существует три основных режима работы транзистора: активный (линейный, усилительный) , насыщения и отсечки . Область отсечки ограничена сверху ВАХ соответствующей Б = -КО (оба р-n перехода транзистора закрыты). Область насыщения ограничена справа прямой линией, из которой выходят статические ВАХ (оба р-n перехода транзистора открыты). Активная область лежит между областями насыщения и отсечки (эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт). В активном режиме точка покоя транзистора РО находится примерно посредине нагрузочной прямой МN, а рабочая точка не выходит за пределы участка МN. Активный режим используется в усилителях, генераторах и других устройствах обработки непрерывно изменяющихся сигналов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзисторов и используются в импульсном и цифровых устройствах.
Рисунок 4.4 - Динамические выходные характеристики транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером