2011_3967

УДК 621.38(076.5)

Т263

В настоящее пособие включены четыре лабораторные работы. Предполагается, что студенты, выполняющие лабораторные работы данного цикла, знакомы с работой полупроводниковых приборов и их основными характеристиками.

Излагаются принципы работы электронных схем с выводом основных количественных соотношений, характеризующих их работу. Даётся описание лабораторных установок, порядок выполнения работ, вопросы и задания для подготовки к защите. Теоретический материал излагается с учётом того, что выполнение лабораторных работ может предшествовать изложению соответствующих разделов в лекционном курсе. Задания к работам позволяют варьировать варианты, поэтому выполнение тех или иных пунктов должно согласовываться с преподавателем.

Составили: д-р техн. наук, доцент Драгунов В.П. канд. техн. наук Остертак Д.И.

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент Бородин Н.И. канд. физ.-мат. наук, доцент Макаров Е.А.

Работа подготовленана кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроникидля студентовIII курса факультета радиотехники и электроники (направлений 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»)

Новосибирский государственный технический университет, 2011

2

3

Лабораторная работа № 1

АНАЛИЗ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с графическим методом анализа усилительных каскадов на биполярных транзисторах и влиянием характеристик элементов схемы на работу каскада.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Проектирование электронных устройств предполагает решение широкого комплекса вопросов: выбор принципиальной схемы, её расчёт и оптимизация, разработка конструкции и технологии. Одна из задач проектирования любой электронной, в том числе и интегральной схемы заключается в её теоретическом и экспериментальном анализе. Цель такого анализа состоит в определении соотношений между воздействиями и реакциями для известной схемы.

В принципе эту задачу можно решить аналитически, если составить систему уравнений, описывающих поведение схемы при заданном воздействии, и решить её относительно неизвестного параметра. К сожалению, на практике ни одна из реальных схем так рассчитана быть не может из-за сугубо нелинейного вида характеристик активных элементов (и, следовательно, нелинейного характера уравнений). Поэтому анализ выполняют приближёнными методами или графически.

Достоинствами графического метода анализа являются наглядность и применимость как в режиме «малого», так и «большого» сигнала.

Непосредственно анализ проводят в два этапа: а) по постоянному току (на этом этапе определяют токи и напряжения в ветвях схемы при отсутствии сигнала на входе); б) по переменному току (на этом этапе анализируют поведение схемы и определяют её характеристики при воздействии входного сигнала).

Проведём анализ усилительного каскада по постоянному току. На рис. 1.1 показана схема типичного усилительного каскада на

4

биполярном транзисторе – схема с общим эмиттером. Резисторы R1 , R2 , Rэ и Rк задают начальное смещение эмиттерному и кол-

лекторному переходам, С1Rвх и С2Rн образуют фильтры верхних

частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала ( Rвх – входное сопротивление каскада по переменному току; Rн –

сопротивление нагрузки).

Рис. 1.1. Принципиальная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе

При отсутствии входного сигнала в схеме будут протекать токи и установятся напряжения, показанные на рис. 1.1. Чтобы подчеркнуть, что эти токи и напряжения характеризуют начальное (невозмущённое) состояние схемы, им приписан нулевой индекс. Напря-

здесь напряжения Uк , Uб и Uэ отсчитываются от общего провода.

Данная система из шести уравнений содержит восемь неизвестных, таким образом, для определения токов и напряжений, соответствующих начальному состоянию схемы, необходимо добавить ещё два уравнения. Ими могли бы быть соотношения, связывающие токи, протекающие через транзистор и напряжения на его электродах (т.е. характеристики транзистора). Однако эти зависимости имеют существенно нелинейный характер и обычно заданы графически (см., например, рис. 1.2 и 1.3а). Поэтому и решение выполняется графическим методом.

Порядок расчёта по постоянному току при этом сводится к следующему:

1. На выходных характеристиках транзистора (рис. 1.2б) строится нагрузочная прямая AB, уравнение которой

связывает ток коллектора с напряжением между коллектором и эмиттером. Учитывая, что Iк ≈ Iэ ,

Следовательно, координаты точки А {Uкэ = 0, Iк =Eк (Rк + Rэ)}, а точки В {Uкэ = Eк, Iк =0}.

2.По точкам пересечения выходных характеристик транзистора и нагрузочной прямой строится зависимость тока коллектора от тока базы (рис. 1.2а, кривая 1).

3.Находится динамическая входная характеристика LK (рис.

1.3а), которая связывает ток базы и напряжение Uбэ при заданной величине Uкэ . Для этого на семействе входных характеристик

транзистора (рис. 1.3а), пользуясь координатами точек пересечения линии нагрузки AB с выходными характеристиками транзистора (рис. 1.2б), строится динамическая входная характеристика

Iб = Ф(Uбэ) , учитывающаяизменениянапряженияUкэ .

6

Рис. 1.2. Построение зависимости тока коллектора от тока базы (а), и нагрузочной прямой (б)

Рис. 1.3. Построение динамической входной характеристики

Iб = Ф(Uбэ) (а), определение Iд01, Iд02 , Iб0 и Uб0 (б)

7

4. Строится зависимость напряжения на эмиттере транзистора от тока базы. При этом задаются значениями тока базы, по рис. 1.2а (кривая 1) определяют соответствующие этим токам базы токи коллектора и по уравнению

рассчитывают напряжение на эмиттере при данных токах базы (кривая 1, рис. 1.3б).

5. Находится зависимость между током базы и напряжением Uб на базе транзистора (кривая 2, рис. 1.3б) учитывая, что после-

довательно переходу база-эмиттер транзистора (нелинейный элемент) включено сопротивление Rэ (см. рис. 1.4а). В этом сл учае

участок база-эмиттер-общий провод можно представить некоторым нелинейным эквивалентным сопротивлением R(i) (рис.

1.4б), вольтамперную характеристику (ВАХ) которого (кривая 2, рис. 1.3б) можно построить сложением кривой Iб = Ф(Uэ) (кри-

вая 1, рис. 1.3б) и входной характеристики LK по ординатам.

Рис. 1.4. Фрагмент схемы, показанной на рис. 1.1 (а) и соответствующая ему эквивалентная схема (б)

6. Строится ВАХ участка база-общий провод с учётом сопротивления R2 (рис. 1.4б). Это сопротивление включено параллель-

но эквивалентному сопротивлению R(i) , представляющему цепь переход база-эмиттер и Rэ . Поэтому общая эквивалентная характеристика (кривая 4, рис. 1.3б) в данном случае находится сложе-

8

нием токов в элементах (зависимости 2 и 3, рис. 1.3б) для каждого значения напряжения на базе транзистора. Прямая 3 на рис. 1.3б

отображает зависимость между током, протекающим по R2 , и напряжением, приложенным к нему.

7.Согласно уравнению (1.4) строится зависимость напряжения на базе транзистора от Iд1 (прямая 5, рис. 1.3б).

8.По точке пересечения зависимостей 5 и 4 на рис. 1.3б нахо-

дятся значения Iд01 и Uб0 , а затем (по найденному значению Uб0 и

зависимостям 2 и 3, рис. 1.3б) Iд02 и Iб0 .

9. На выходных характеристиках рис. 1.2б находят точку пересечения нагрузочной прямой AB и кривой, соответствующей зна-

чению Iб0 . Координаты этой точки O и дают значения начального

тока коллектора Iк0 и начального напряжения на коллекторе Uкэ0 .

На этом анализ по постоянному току можно считать законченным, так как найдены все токи и напряжения в схеме при отсутствии сигнала на входе.

3. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Для заданных номиналов резисторов R1, R2 , Rэ, Rк, Rн, Rи опре-

делить токи и напряжения в ветвях схемы при отсутствии сигнала на входе и заданном Ек (данные, а также входные и выходные

характеристики транзистора получить у преподавателя).

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт должен содержать:

1.Схему анализируемого усилительного каскада, на которой должны быть показаны направления токов в ветвях при отсутствии сигнала на входе.

2.Графики, необходимые для построения управляющих динамических характеристик коллекторного тока и выходного напряжения.

9

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как графически находится ВАХ участка цепи, содержащей параллельно и последовательно соединённые элементы, если ВАХ отдельных элементов известны?

2.Почему зависимость между током коллектора и током базы (рис. 1.2а) не проходит через начало координат?

3.Как графически определяются токи и напряжения в схеме при отсутствии сигнала на входе?

4.Каково назначение элементов в усилителе, схема которого показана на рис. 1.1?

5.Как выглядят характеристики транзистора при включении его с общей базой?

6.Каким образом производится измерение характеристик транзистора?

7.Как изменятся входные характеристики транзистора при увеличении температуры?

8.Как изменяется коллекторный ток транзистора в схеме усилительного каскада с общим эмиттером, если ток базы остается постоянным, а сопротивление в коллекторной цепи увеличивается?

9.Укажите алгоритм анализа схемы с общим коллектором.

Лабораторная работа № 2

СХЕМЫ СМЕЩЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ. СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение основных схем подачи смещения и стабилизации режима работы в усилителях на биполярных транзисторах.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Всхемах на полупроводниковых элементах желательный режим работы транзистора по постоянному току (положение рабочей точки) устанавливается путём подачи напряжения (подачи смещения) на соответствующие выводы транзистора. Коллектор-

10