МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

В.П.Дудкин

Е.П.Нечаев

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ

Учебно-методическое пособие для вузов

(компьютерный набор и редакция С.А.Охремчика)

ВОРОНЕЖ–2012 г.

Цель лабораторной работы состоит в ознакомлении с методикой измерения и теоретического расчёта основных параметров транзисторных схем.

1.1. Основные соотношения и определения

На протяжении последних десятилетий развитие физики полупроводников подготовило почву для бурного роста полупроводниковой техники. В настоящее время разработано большое количество различных схем, построенных на базе транзисторов и интегральных микросхем. Эти схемы включают в качестве элементов ставшие уже классическими простейшие транзисторные схемы. К ним относятся, например, эмиттерный повторитель, усилитель мощности с общим эмиттером, источник тока на транзисторе и ряд других схем.

Целью данного курса лабораторных работ является ознакомление с классическими схемами и изучение теоретических и экспериментальных методов определения их основных характеристик. К основным характеристикам схем усилительного типа относятся входные, выходные сопротивления и коэффициенты усиления по току и напряжению. Для источников тока основными характеристиками являются ток, протекающий через нагрузку, внутреннее сопротивление и максимальное допустимое сопротивление нагрузки. К основным характеристикам полупроводниковых схем следует отнести также величину напряжения источника питания.

Условимся в дальнейшем заглавными буквами U и I обозначать напряжения и токи в схемах, а строчными буквами u и i – амплитуды переменных (гармонических) составляющих соответствующих напряжений и токов.

В самом общем случае входное и выходное сопротивления, а также коэффициенты усиления по току и напряжению для произвольной схемы усилительного типа можно записать в виде

, (1)

где входные напряжение и ток схемы, напряжение и ток на её выходе.

Если полупроводниковая схема работает в линейном режиме, а на её вход подаётся гармонический сигнал частотой , то для токов и напряжений, входящих в (1), можно записать соотношения

,

(2)

где – постоянные составляющие входных и выходных токов и напряжений. В результате подстановки соотношений (2) в (1) получаем

, , , (3)

Во всех лабораторных работах данного курса требуется измерение характеристик полупроводниковых схем. Поэтому на методике проведения измерений следует остановиться особо. До начала измерений следует убедиться в том, что на схему подано требуемое напряжение питания +15 В или – 15 В, проверить заземление схемы и используемых приборов. Это можно сделать с помощью вольтметра постоянного тока или осциллографа. При использовании для этой цели осциллографа необходимо переключатель «Вольт/деление» поставить в положение «15 Вольт/деление», а переключатель «Переменное/постоянное» поставить в положение «Постоянное».

Измерения характеристик (3) необходимо проводить в линейном режиме работы усилителя, когда нелинейные искажения выходного сигнала пренебрежимо малы. Для этого на вход усилительных схем следует подавать относительно слабый гармонический сигнал с частотой около 1 кГц и амплитудой 0.01 – 0.1 В (см. рис. 1). Для эмиттерных повторителей входной сигнал может составлять 0.1 – 2 В. После подачи входного сигнала необходимо убедиться в том, что выходной сигнал схемы является гармоническим (рис. 1). Если в выходном сигнале наблюдаются искажения, как, например, на рис. 2, то следует уменьшить амплитуду входного сигнала до тех пор, пока схема не перейдёт в линейный режим работы.

Ввиду того, что при измерении характеристик полупроводниковых схем необходимо проводить контроль формы выходных сигналов, к выходу схем необходимо подключать осциллограф. При этом переключатель «Переменное/постоянное» следует поставить в положение « » (закрытый вход). Входные и выходные напряжения схемы можно измерять вольтметром переменного тока.

Для измерения коэффициента усиления по напряжению необходимо подать на вход схемы относительно слабый сигнал, и в линейном режиме работы схемы измерить входное и выходное напряжения, а затем рассчитать экспериментальное значение коэффициента усиления (3)

(4)

Входное сопротивление определяется путём подключения ко входу схемы S (рис. 3) последовательно соединённых генератора Г гармонического сигнала и добавочного сопротивления R_доб . Измерив вольтметром эффективные значения напряжений и на зажимах добавочного резистора 1 и 2, определяем эффективное значение входного тока

Тогда согласно (3) входное сопротивление можно рассчитать по формуле

(5)

Таким образом, для определения входного сопротивления необходимо собрать схему, приведённую на рис. 3, измерить значения и и вычислить согласно (5) значение входного сопротивления.

Измерение выходного сопротивления (3) схемы проводится в два этапа. На первом этапе вход схемы подключается к генератору Г гармонического сигнала (рис.4), а выход схемы к измерительному прибору V, например, к вольтметру. В линейном режиме работы исследуемая схема эквивалентна источнику гармонического сигнала с эффективным значением электродвижущей силы (ЭДС) E и внутренним сопротивлением , которое одновременно является и выходным сопротивлением исследуемой схемы. Следовательно

(6)

Ввиду того, что входное сопротивление измерительного прибора велико (как правило 1 Мом), ток , протекающий через него, оказывается пренебрежимо малым. Тогда, согласно (6), измеренное значение в схеме рис. 4 совпадает с . Таким образом, на первом этапе производится измерение значения ЭДС . На втором этапе к выходу схемы подключается добавочный резистор в качестве нагрузки (рис. 5) и измеряется эффективное значение выходного напряжения на этом резисторе в линейном режиме работы схемы. Тогда

(7)

Из второго уравнения в (7) получаем а первое уравнение перепишем в виде Откуда находим

. (8)

Таким образом, для определения выходного сопротивления схемы необходимо измерить ЭДС эквивалентного генератора (рис. 4), выходное напряжение (рис.5) и рассчитать согласно (8) значение выходного сопротивления.

В целях повышения точности измерения входного и выходного сопротивлений схем сопротивление добавочного резистора следует выбирать одного порядка с измеряемым сопротивлением.

Следует отметить, что измерение коэффициента усиления по напряжению, входных и выходных сопротивлений полупроводниковых усилительных схем следует проводить при низких (звуковых) частотах входных гармонических сигналов. Если в задании на экспериментальную работу специально не указана частота входного сигнала, то рекомендуется использовать звуковую частоту в 1 кГц, поскольку в области высоких частот (радиочастот) на характеристики (1) начинают оказывать влияние паразитные индуктивности соединительных проводов, ёмкости переходов транзисторов и другие факторы. При этом происходят фазовые сдвиги токов и напряжений относительно друг друга, а выражения (2) необходимо записывать уже в комплексной форме.