Электроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие

Определите по графикам коэффициенты усиления по току Kiг и

напряжению Kuг . Для этого на графике семейства выходных характеристик по пересечению кривых Iб2, Iб4 с нагрузочной прямой определите приращения Iк, Uк , Iб, как показано на рис. 4.2. По входной характеристике, для которой Uкэ 5 В, относительно точек Iб2, Iб4 определите приращение Uб . Рассчитайте

Kuг Uк / Uб, Kiг Iк / Iб .

Вотчете приведите семейства входных и выходных характеристик

снагрузочной прямой, а также значения коэффициентов усиления по току и напряжению.

4. Рассчитайте для схемы с общим эмиттером коэффициенты уси-

методом приращений по статическим характеристикам и нагрузочной прямой, а также вычисленные через h-параметры. Сравните их и сделайте выводы.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Цель работы.

2.Паспортные данные исследуемого транзистора.

3.Схема проведения экспериментов.

4.Графики семейств статических входных и выходных ВАХ с отмеченными на них областями активного режима, режима насыщения и

отсечки, а также точками Uкэр, Iкр, Iбр, Uбэр, Eр и нагрузочной

прямой.

5. Экспериментально измеренные и заданные значения Iкэо, Eкэр,

Uкэр, Iкр , Uбэр, Iбр, Kuи, Kuи .

6.Рассчитанные по графикам значения h-параметров, а также

Kuг и Kiг .

51

7. Рассчитанные с использованием h-параметров значения Kuр

иKiр .

8.По результатам работы заполните табл. 4.5.

Таблица 4.5

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как выглядят семейства входных и выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером. В чем их отличие от соответствующих характеристик в схеме с общей базой?

2.Что характеризует коэффициент передачи тока базы ? Как он связан с коэффициентом передачи тока эмиттера ?

3.Из каких токов состоит ток коллектора, ток базы?

4.Где на семействе выходных характеристик расположены значе-

ния Iкэо, Uкэнас? Границы каких областей они характеризуют?

5.Как записывается выражение для тока коллектора в области активного режима?

6.Какие h-параметры транзистора схемы с ОЭ значительно отличаются от соответствующих параметров схемы с общей базой?

7.Почему входные ВАХ схемы с ОЭ при увеличении напряжения на коллекторе смещаются вправо?

8.Почему при неизменном токе базы и увеличении напряжения на коллекторе существенно возрастает коллекторный ток (выходные ВАХ)?

52

9.Что представляет собой нагрузочная характеристика (нагрузочная прямая), как она строится?

10.Как в заданной рабочей точке по семейству статических характе-

ристик и нагрузочной прямой определить Ku и Ki ?

11. Покажите графически разницу между Ki и в схеме с общим

эмиттером.

12. В чем заключаются преимущества и недостатки усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером, по сравнению со схемой, имеющей общую базу?

Литература: [2, с. 208–235, 4, с. 125–155; 6, с. 140–176].

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

МОДЕЛИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА

Цель работы

1.Изучить методику экспериментального определения параметров биполярного транзистора для модели Эберса–Молла.

2.Рассчитать семейства статических входных и выходных характеристик в схеме с общим эмиттером.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Математические модели полупроводниковых приборов находят широкое применение при компьютерном анализе и расчете характеристик электронных схем.

Модель Эберса–Молла – одна из трех наиболее известных моделей биполярного транзистора. Она описывает его работу при различных соотношениях величин напряжений на электродах, в том числе и в режиме большого сигнала. В основе модели – суперпозиция нормального и инверсного транзисторов, работающих в активном режиме. Переходы транзистора в модели представляются в виде диодов. Инжектируемые в базовую область токи каждого из переходов транзистора собираются с помощью экстракции другими электродами переходов. Моделирование осуществляется на основе эквивалентной схемы, изображенной на рис. 5.1. Эквивалентная схема состоит из двух диодов, моделирующих встречно включенные эмиттерный и коллекторный переходы, и двух источников тока, учитывающих их взаимное влияние и определяющих усиление транзистора по мощности.

На рис. 5.1 приняты следующие обозначения:

Iэ,Iк, Iб – соответственно токи эмиттера, коллектора и базы;

ходовI1;, I2 , – инжектируемые токи эмиттерного и коллекторного пере-I1, I I2 –собираемыйтокэмиттерногоиколлекторногопереходов;

– коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме;I – коэффициент передачи тока коллектора в инверсном режиме;

Uэб,Uкб – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах.

54

Рис. 5.1. Эквивалентная схема транзистора

Для эквивалентной схемы, изображенной на рис. 5.1, справедливы следующие уравнения Эберса–Молла:

где Iэбо– обратный ток эмиттерного перехода при отключенном коллекторе; Iкбо – обратный ток коллекторного перехода при отключен-

ном эмиттере; T kTq – температурный потенциал, который при тем-

пературе T 293 К равен 0,026 В; k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.

55

Заметим, что уравнение (5.3) в явном виде описывает семейство статических входных характеристик.

Совместное рассмотрение уравнений (5.1) – (5.3) позволяет получить уравнение, которое описывает семейство статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмитте-

зывает токи на выводах транзистора с напряжениями на р–n-пере- ходах, что позволяет использовать ее в системах автоматизированного проектирования электронных схем.

Учет эффекта модуляции ширины базы. В активном режиме ширина базы транзистора уменьшается при увеличении обратного напряжения на коллекторе. Это приводит к тому, что величина коэффициента передачи тока эмиттера становится функцией напряжения

на коллекторе:

где Uкэ р– напряжение коллектор–эмиттер в рабочей точке; к

модуляции ширины базы на коэффициент передачи тока эмиттера ;1 Iк1 / Iб, 2 Iк2 / Iб – значения коэффициентов передачи тока

56

базы при двух заданных значениях напряжения на коллекторе

нейная функция, аппроксимирующая экспериментальную зависимость коэффициента передачи тока базы от напряжения на коллекто-

ре; 0, a – постоянные коэффициенты, которые находятся методом наименьших квадратов по экспериментально снятой зависимости

f (Uкэ) Iб const .

Применение метода наименьших квадратов для определения постоянных коэффициентов 0 и a обеспечивает минимальное отклоне-

ние линейной аппроксимирующей функции (Uкэ) от экспериментальных данных.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальная часть работы проводится в блоке «2В», схема которого представлена на рис. 5.2. Для подведения напряжений питания к схеме включите стенд и нажмите кнопку «2B», расположенную в нижнем левом углу лабораторного стенда.

Рис. 5.2. Принципиальная схема блока «2В»

57

Лабораторное задание

1. Снимите экспериментальную зависимость

f (Uкэ) Iб const .

Спомощью внешних проводников по схеме, изображенной на рис. 5.2, подключите приборы для измерения тока: миллиамперметр с пределом измерения 20 мА к клеммам Х17, Х18, микроамперметр с пределом измерения 200 мкА к клеммам Х11, Х12. Переключателем

S3 отключите нагрузку (R4) (положение «Включено»). Переключа-

тель транзисторов поставьте в положение VT2 («Ge»).

Источником питания V2 установите напряжение на коллекторе в рабочей точке Uкэ р 12 В (клеммы Х19, Х20). Изменяя напряжение

источника питания V1, по микроамперметру, подключенному к клеммам Х11, Х12, установите ток базы в рабочей точке Iбр , при котором

ток коллектора равен Iкр = 2 мА.

Подключите вольтметр к клеммам Х13, Х14 и отсчитайте значение напряжения на базе в рабочей точке Uбэр . Результаты измерения

Iб р, Uбэ р и установленное значение Uкэ р занесите в отчет. Поддерживая постоянным установленное значение тока Iбр , из-

мерьте ток коллектора Iк при напряжениях на коллекторе Uкэ , равных 12, 9, 6, 1, и 0,5 В. Для перечисленных величин Uкэ определите соответствующие значения коэффициента передачи тока базы

Iк(Uкэ) .

Iб р

Составьте таблицу для заданных пяти значений напряжения Uкэ (i) (i 1, 2...5) (табл. 5.1) и экспериментально полученных зависимостей Iк (i) f (Uкэ (i)) и (i) f (Uкэ (i)). Постройте также графики зависимостей Iк f (Uкэ) и f (Uкэ) при условии Iб Iбр const.

2. Измерьте обратные токи транзистора Iкбо и Iэбо. Обратный ток коллекторного перехода при отключенном эмиттере (Iкбо ) в данной

58

работе определяется косвенным методом по измеренному начальному току коллектора при отключенной базе (Iкэо )

Для измерения тока Iкэо в схеме, изображенной на рис. 5.2, следу-

ет отключить микроамперметр от клемм Х11, Х12 и подключить его вместо миллиамперметра к клеммам Х17, Х18. Обратите внимание на то, что в этом случае база транзистора находится в режиме холостого

хода (Iб 0), т. е. она не подключена к источнику питания V1. Обратный ток Iкэо измерьте при значении напряжения источника

питания V2, равном Uкэ Uкэ р 12 В. Данное значение напряжения

источника питания устанавливается по вольтметру, подключенному к клеммам Х19, Х20. При расчете обратного тока Iкбо по соотношению

(5.7) возьмите значение (Uкэр), вычисленное в п. 1 лабораторного задания.

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Определите коэффициенты 0 и a для аппроксимирующей линейной функции (Uкэ) 0 aUкэ по полученным в п. 1 лаборатор-

ного задания экспериментальным значениям коэффициента передачи тока базы f (Uкэ). Значения коэффициентов 0 и a для аппрокси-

мирующей функции (Uкэ) 0 aUкэ в соответствии с методом

59

2. Рассчитайте зависимость f (Uкэ) по выражению (5.6) с учетом значений 0 и a , полученных в п. 1 данного раздела. Расчет вы-

полнить с точностью до четырех значащих цифр.

3. Рассчитайте коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении:

60