Сборник методических указаний для выполнения лабораторно-практических заданий по дисциплине «Элементная база телекоммуникационных систем»
.pdf
5. Для проверки рассчитанных значений выполнить измерения, используя виртуальный стенд Electronics Workbench. Собрать схему, приведенную на рисунке 2.1, измерить величины I k , I б , U кэ , U бэ при двух
значениях управляющего источника E1 = 0 И E1 = E1max и зафиксировать их в
таблицу 2.3. По измеренным значениям сделать вывод о состоянии ключа для обоих случаев (при каком E1 – открыт, при каком – закрыт) и записать его в «Примечаниях» таблицы 2.3.
6.Сравнить токи базы и коллектора в открытом состоянии с требуемыми
-I б С Iб,тр , А I k С Iком . Сделать вывод о соответствии техническому заданию
(если отличия составляют более чем 5%, то схема не выполняет заданные функции).
7. Вычислить указанные в таблице мощности (строки 5-8) по указанным там же выражениям. По вычисленным значениям сделать вывод об экономичности схемы.
Рисунок 2.1 – Транзисторный ключ на n-p-n-транзисторе
Таблица 2.3 – Параметры испытательного ключа на n-p-n-транзисторе
№ п/п |
E1 = 0 |
|
|
|
E1 = E1max |
|
|
Примечания |
|||||||
1 |
I '0' |
= |
|
|
|
I '1' |
= |
|
|
|
|
|
|
||
|
б |
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
U '0' |
|
= |
|
|
|
U '1' |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
бэ |
|
|
|
|
|
бэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
I к'0' |
= |
|
|
|
I к'1' |
= |
|
|
|
|
|
|
||
4 |
'0' |
|
= |
|
|
|
'1' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U кэ |
|
|
|
|
U кэ = |
|
|
|
|
|
||||
5 |
P'0' |
= I '0'U '0' |
= |
P'1' |
|
= I '1'E1 |
|
= |
|
||||||
|
1 |
|
б |
|
бэ |
|
1 |
|
|
б |
|
max |
|
|
|
6 |
'0' |
|
'0' '0' |
= |
'1' |
|
|
'1' '1' |
= |
|
|
||||
|
Pк |
= I к |
U кэ |
Pк |
|
= Iк |
U кэ |
|
|
||||||
7 |
'0' |
|
'0' |
(E2 |
'0' |
'1' |
|
|
'1' |
(E2 |
|
'1' |
|
||
|
Pн |
= Iк |
|
−U кэ )= |
Pн |
|
= Iк |
|
−Uкэ )= |
|
|||||
8 |
P'0' |
|
= I |
'0'E2 = |
P'1' |
|
|
= I |
'1'E2 = |
|
|
||||
|
ист |
|
к |
|
|
ист |
к |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2 Исследование входной и передаточной характеристик n-p-n- транзистора
Для схемы, приведенной на рисунке 2.1, выполнить следующее:
1.Для источника E1 задать значения, указанные во втором столбце таблицы 2.4.
2.При каждом E1 измерить значения I б , U кэ , и вычислить Uн = E2 −Uкэ .
Зафиксировать результаты измерений и вычислений в таблицу.
3. По полученным результатам построить графики входной Iб (E1) и передаточной U н (E1) характеристики. Определить порог переключения ключа
E1пор .
Таблица 2.4 – Параметры транзисторного ключа на n-p-n-транзисторе
№ п/п |
E1,В |
I б |
U кэ |
Uн |
1 |
0 |
|
|
|
2 |
0.25 |
|
|
|
3 |
0.5 |
|
|
|
4 |
0.75 |
|
|
|
5 |
1 |
|
|
|
6 |
1.25 |
|
|
|
7 |
2 |
|
|
|
8 |
2.25 |
|
|
|
9 |
2.5 |
|
|
|
10 |
3 |
|
|
|
11 |
E1max |
|
|
|
По измеренным значениям построить передаточную характеристику транзисторного ключа на n-p-n-транзисторе
3 Содержание отчета
1.Схемы и таблицы наблюдений.
2.Графики статических входных и передаточных характеристик.
3.Экспериментальные значения входных пороговых напряжений переключения.
4.Сделайте «экспертное» заключение о том, насколько «идеальны» входные параметры ключа.
22
Методические указания к лабораторно-практическому занятию №5
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ
Цель работы: исследование стоко-затворных характеристик полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.
1 Теоретический материал
Характеристика полевого транзистора на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением (1.1).
|
|
|
|
|
|
U зи |
|
|
|
|
|
|
|
Uси |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uси |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
IC = Ic нач |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 1 |
− |
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
U |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
зиотс |
|
|
|
|
|
|
зиmax |
|
|
|
|
|
|
|
|
зиmax |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
2
. (1.1)
В области усиления статистические характеристики идеального транзистора любой структуры описывается выражением (1.2).
IC |
= |
|
(U0 −U зи )2 , |
(1.2) |
|
|
2 |
|
|
где ß – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора
( = 2Ic );
U02
U0 – напряжение запирания (U0 U зиmax ).
2 Этапы выполнения лабораторно-практического задания №5
2.1 Расчет характеристик транзисторов с управляющим p-n-переходом
Выбрать тип (марку) полевого транзистора с управляющим p-n- переходом из таблицы 2.1. Выписать параметры исследуемого транзистора в таблицу 2.2:
a)Ic max , mA – максимально допустимый постоянный ток стока;
b)Ucи max , В – предельно допустимое напряжение между стоком и
истоком;
c) U зи отс , В – напряжения отсечки для транзистора с управляющим p-n переходом;
23
d) U зи max , В – предельно допустимое напряжение между затвором и истоком.
Таблица 2.1 – Типы полевых транзисторов
Варианты |
Варианты |
|
|
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом |
|
1. |
Philips 2N4091 |
|
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=30 мА; Uoff=0,2 В |
|
2. |
Philips 2N4092 |
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=15 мА; Uoff=0,2 В |
||
|
||
3. |
Philips 2N4093 |
|
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=8 мА; Uoff=0,2 В |
|
4. |
Philips 2N4391 |
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=50 мА; Uoff=-10 В |
||
|
||
5. |
Philips 2N4392 |
|
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=50 мА; Uoff=-5 В |
|
6. |
Philips 2N4393 |
|
|
Uds=40 B; Ugs=-40B; Id=50 мА; Uoff=-3 В |
|
7. |
Philips 2N4416 |
|
Uds=30 B; Ugs=-30B; Id=10мА; Uoff=-6 В |
||
|
||
8. |
Philips 2N4856 |
|
Uds=40 B; Ugs=40B; Id=50мА; Uoff=-10 В |
||
|
В таблице 2.1 представлены следующие обозначения:
Uds – предельно допустимое напряжение между стоком и истоком; Ugs – напряжение между затвором и истоком;
Id – максимально допустимый постоянный ток стока;
Uoff – напряжения отсечки для транзистора с управляющим p-n- переходом.
Таблица 2.2 – Характеристики транзистора
Марка транзистора (тип канала)
Параметры |
Idmax, мА |
Udsmax, В |
Ugsmax, В |
Uoff, В |
Количественные значения |
|
|
|
|
Построить статическую стоко-затворную характеристику транзистора при 2-х фиксированных значениях Uси =const, вычисляемых по выражениям в
первой строке таблицы 2.3.
24
Таблица 2.3 – Расчетные значения для стоко-затворных характеристик
№ |
Uoff, В |
Ugs,В |
Ugs,В |
Uds=0.01 Udsmax,B |
Uds= 0.5 Udsmaz,В |
|
|
|
(рассчи- |
|
|
|
|
|
танные |
|
|
|
|
|
(рассчитанные |
(рассчитанные |
|
|
|
|
значения) |
||
|
|
|
значения) |
значения) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Id, mA |
Id, mA |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1. |
|
0.95 Uoff |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
0.75 Uoff |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
|
0.5 Uoff |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
|
0.25 Uoff |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-вычислить Id по формуле (1.1) и записать данные в таблицу 2.3. Учесть, что все значения подставляются в формулу (1.1) по модулю. Если ответ будет иметь отрицательное значение, то в таблицу 1.3 записывается значение 0.
-построить семейство стоко-затворных характеристик.
2.2 Экспериментальная часть
Собрать схему, приведенную на рисунке 2.1, для исследования семейств стоко-затворных характеристик.
Рисунок 2.1 – Схема для иследования полевого транзистора с n-каналом
1. Исследовать семейство статических стоко-затворных характеристик транзистора при 2-х фиксированных значениях Uds =const, вычисляемых по выражениям в первой строке таблицы 2.4. Для исследования каждой ветви ВАХ выполнить следующие действия:
25
- установить значение источника E2 в соответствии с очередным значением Uds;
-вычислить по выражениям во 2-м столбце таблицы 2.4 рекомендуемые значения Ugs и зафиксировать их во 2-м столбце таблицы 2.4 в отчете;
-с помощью источника E1 установить вычисленные выше значения Ugs
(устанавливать значения Ugs по модулю);
- для каждого установленного Ugs измерить по амперметру А1 ток стока Id и зафиксировать в таблицу 2.4;
Выполнить вышеуказанные действия для обоих указанных в таблице значений Uds.
Id записывать в таблицу со знаком «+», т.к. направление тока противоположно показаниям амперметра.
Измеренные и вычисленные значения занести в таблицу 2.4. Во второй столбец таблицы 2.4 поставить значения из таблицы 2.3, столбец 4.
Таблица 2.4 – Экспериментальные значения для стоко-затворных характеристик
№ |
Ugs,В |
Uds =0.01 Udsmax,B |
Uds = 0.5 Udsmax,В |
|
|
Id, mA |
Id, mA |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
1. |
0.95 Uoff |
|
|
|
|
|
|
2. |
0.75 Uoff |
|
|
|
|
|
|
3. |
0.5 Uoff |
|
|
|
|
|
|
4. |
0.25 Uoff |
|
|
|
|
|
|
5. |
0 |
|
|
|
|
|
|
По измеренным значениям построить семейство стоко-затворных характеристик полевых транзисторов в одних с осях с расчетными характеристиками. Рассчитать процентное значение отличия расчетных и экспериментальных характеристик. Т.к. математические формулы приведены для идеальных транзисторов, то графики, построенные согласно расчетным значениям и измеренным параметрам, могут отличаться.
3 Содержание отчета
1.Схемы для измерений.
2.Таблицы с расчетными значениями и результатами измерений.
4.Графики стоко-затворных характеристик.
5.Формулы и рассчитанные значения.
26
Методические указания к лабораторно-практическому занятию № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ
Цель работы: исследовать характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом
1 Теоретический материал
Удельная крутизна транзистора с индуцированным каналом определяется по формуле (1.1).
W |
|
Ic max |
|
|
|
b = C0 |
|
|
|
, |
(1.1) |
L |
U 2 |
||||
|
|
|
зиmin |
|
|
где µ– приповерхностная подвижность носителей, C0 – удельная емкость затвор-канал, L – длина, W – ширина канала.
Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, то выходная характеристика, соответствующая линейному режиму, аппроксимируется выражением (1.2).
IC = b(Uзи −Uзипор )Uси . |
(1.2) |
Величину b(Uзи - U0) называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала.
2 Этапы выполнения лабораторно-практического задания №6
2.1 Выбор транзистора с индуцированным каналом
Выбрать тип (марку) полевого транзистора с индуцированным каналом. Типы ПТ приведены в таблице 2.1. Занести параметры исследуемого транзистора в таблицу 2.2.
Таблица 2.1 – Характеристики ПТ с индуцированным каналом
Варианты |
Полевые транзисторы с индуцированным каналом |
|
|
|
|
1. |
KP305A |
Uds=15 B; Ugs=30 В Id=15 мА; Uth=6 В |
2. |
KP305B |
Uds=15 B; Ugs=30 В Id=15 мА; Uth=6 В |
|
|
|
3. |
KP305D |
Uds=15 B; Ugs=15 В Id=15 мА; Uth=6 В |
|
|
|
27
Продолжение таблицы 2.1
4. |
KP305E |
Uds=15 B; Ugs=15 В Id=15 мА; Uth=6 В |
5. |
KP305G |
Uds=15 B; Ugs=15 В Id=15 мА; Uth=6 В |
6. |
KP305I |
Uds=15 B; Ugs=15 В Id=15 мА; Uth=6 В |
7. |
KP305J |
Uds=15 B; Ugs=15 В; Id=15 мА; Uth=6 В |
8. |
KP313A |
Uds=15 B; Ugs=10 В; Id=15 мА; Uth=6 В |
9. |
KP313B |
Uds=15 B; Ugs=10 В; Id=15 мА; Uth=6 В |
10. |
KP313D |
Uds=15 B; Ugs=10 В; Id=15 мА; Uth=6 В |
В таблице 2.1 представлены следующие параметры:
Idmax, mA – максимально допустимый постоянный ток стока;
Uds max, В – предельно допустимое напряжение между стоком и истоком; Ugsmax, В – предельно допустимое напряжение между затвором и истоком;
Uth, В – пороговое напряжение для транзистора с индуцированным каналом.
Таблица 2.2 – Характеристики транзистора с индуцированным каналом
Марка транзистора |
|
|
|
|
|
|
|
|
(тип канала) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры |
|
|
Idmax, мА |
|
Uds max, В |
Ugsmax, В |
Uth, В |
|
Количественные значения |
|
|
|
|
|
|
||
2.2 |
Расчет |
параметров |
стоко-затворных характеристик ПТ с |
|||||
индуцированным каналом
В таблицу 2.3 занести рассчитанные значения Ugs, Uds и Id. Ток стока рассчитывается по формулам 1.1 и 1.2.
Таблица 2.3 – Рассчетные стоко-затворные характеристики транзистора с индуцированным каналом
№ |
Uth, |
Ugs,В |
b |
Ugs,В |
Uds =0.01 Uds max,B |
Uds =0.5 Uds max,B |
|
В |
|
|
(рассчитан- |
|
|
|
|
|
ные |
(рассчитанные значения) |
(рассчитанные значения) |
|
|
|
|
|
значения) |
|
|
|
|
|
|
Id, mA |
Id, mA |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
1. |
|
Uth |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
2 Uth |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
|
3 Uth |
|
|
|
|
4.0.5 Ugsmax
5.0.95 Ugsmax
28
2.3 Измерение параметров стоко-затворных характеристик ПТ с индуцированным каналом
Собрать схему, приведенную на рисунке 2.1, (на рисунке приведен пример измерительной схемы для МДП транзистора с индуцированным n- каналом).
Рисунок 2.1 – Измерительная схема для иследования стоко-затворных характеристик ПТ с индуцированным n-каналом
Результаты измерений занести в таблицу 2.4. В столбец 2 внести значения, аналогичные значениям из таблицы 2.3, столбец 5.
Таблица 2.4 – Экспериментальная стоко-затворная характеристика ПТ с индуцированным каналом
№ |
Ugs,В |
Uds =0.01 Uds max,B |
Uds =0.5 Uds max,B |
|
|
Id, mA |
Id, mA |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
1. |
Uth |
|
|
|
|
|
|
2. |
2 Uth |
|
|
|
|
|
|
3. |
3 Uth |
|
|
|
|
|
|
4. |
0.5 Ugsmax |
|
|
|
|
|
|
5. |
0.95 Ugsmax |
|
|
|
|
|
|
По измеренным значениям построить графики расчетных и экспериментальных стоко-затворных характеристик ПТ с индуцированным каналом транзистора в одних с осях. Рассчитать отличие экспериментальных и расчетных характеристик в процентах.
3 Содержание отчета
1.Схемы для измерений.
2.Таблицы с расчетными значениями и результатами измерений.
4.Графики стоко-затворных характеристик.
5.Формулы и рассчитанные значения.
29
Вопросы для самоконтроля
1.Сравните количественные параметры полупроводниковых диодов из германия с полупроводниковыми диодами из кремния. Какие типы материалов еще могут использоваться для изготовления полупроводниковых диодов?
2.Приведите все графические характеристики полупроводниковых диодов. Поясните их назначение.
3.Приведите все эксплуатационные параметры полупроводниковых диодов. На каких графических характеристиках можно отметить данные параметры (привести данные характеристики и отметить значения эксплуатационных параметров).
4.Приведите схему подключения полупроводникового диода в режиме пропускания тока с учетом ограничительного резистора. Выведите и запишите формулу определения величины ограничительного резистора через известные значения напряжения генератора и тока.
5.Для каких целей в настоящее время применяются резисторы? Поясните принцип определения номинала резистора с учетом расположения колец различных цветов. Что такое пленочные резисторы?
6.Приведите условные обозначения полупроводниковых выпрямительных диодов и стабилитронов, как называются выводы (электроды) полупроводниковых диодов, и какая полярность должна подаваться на данные электроды для выполнения полупроводниковыми выпрямительными диодами и стабилитронами основных функций?
7.Поясните, что значит диодно-резестивная логика, где она применяется, основные достоинства и недостатки данной логики. Приведите схемы операций «ИЛИ» и «И» на диодно-резестивной логике и таблицы истинности.
8.Поясните, для каких целей используется стабилитрон, приведите его графическое изображение, перечислите эксплуатационные параметры стабилитрона и покажите их на графической характеристике.
9.Приведите отличие стабилитрона от полупроводникового выпрямительного диода, изобразите схему подключения стабилитрона. Как может быть представлена схема включения или в каком режиме должен работать стабилитрон, при котором он не будет выполнять свои функции?
10.Может ли стабилитрон выполнять функции полупроводникового выпрямительного диода? И наоборот: может ли обычный полупроводниковый выпрямительный диод выполнять функции стабилитрона? Как отличается эксплуатационные параметры в кремниевых стабилитронах от германиевых стабилитронов? Покажите возможные отличия на графической зависимости.
11.Приведите две схемы включения полупроводникового выпрямительного диода и стабилитрона. Проанализируйте необходимость наличия в обеих схемах ограничительного резистора. Приведите формулы для
30