me12 / Lab_rab_12_13 / Lab_3_MKC
.docЛабораторная работа № 3
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА
Цель работы: экспериментальное определение параметров транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
Время выполнения: 2 часа.
Оборудование: транзистор КТ 315, набор резисторов, резисторы 4.7 кОм и 1 кОм,
потенциометр 3,3 кОм.
1. Общие положения
При анализе транзисторных схем транзистор заменяют эквивалентной схемой, обладающей теми же свойствами, что и транзистор. Существует большое количество различных схем замещения транзисторов. Применение той или иной схемы зависит от режима работы транзистора, частоты сигналов, мощности транзистора и т. д. Схемы замещения транзистора можно разделить на две группы: схемы, базирующиеся на представлении транзистора как линейного четырехполюсника и схемы, составленные на основе анализа уравнений, описывающих физические процессы в транзисторе.
Для анализа транзисторных схем, работающих при малом сигнале и низких частотах удобно использовать эквивалентные схемы, основанные на представлении транзистора как активного линейного четырехполюсника. Достоинством таких схем является их простота и возможность определения параметров элементов схем непосредственно по характеристикам транзистора. На параметры элементов замещения схемы влияют схема включения транзистора, режим работы и температура окружающей среды.
Рассмотрим эквивалентные схемы транзистора на низких частотах, включенного по схеме с общим эмиттером.
В общем случае транзистор можно представить в виде активного нелинейного четырехполюсника (рис.1).
Связь между токами и напряжениями четырехполюсника выражается в виде нелинейных уравнений. В зависимости от того, какие две величины четырехполюсника принять за зависимые, а какие за независимые, можно получить шесть различных нелинейных систем уравнений. Если в качестве зависимых величин выбрать токи базы и коллектора, а независимыми величинами – напряжения база-эмиттер и коллектор-эмиттер, то уравнения можно записать в следующем виде:
(1)
. (2)
Если транзистор работает при малых отклонениях сигнала в рабочей точке, то полные мгновенные значения токов и напряжений можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной – значения тока или напряжения в рабочей точке и переменной – изменения (приращения) тока или напряжения.
Iб = Iб0 + dIб,
Iк = Iк0 + dIк,
Uбэ = Uбэ0 + dUбэ,
Urэ = Urэ0 + dUrэ,
где Iб0, Iк0, Uбэ0, Urэ0, - постоянные значения токов и напряжений в рабочей точке, dIб,
dIк, dUбэ, dUrэ – переменные, малые отклонения токов и напряжений в окрестности рабочей точки. Постоянные значения токов базы и коллектора имеют вид:
Iб0 = f (Uбэ0, Urэ0),
Iк0 = f(Uбэ0, Urэ0).
Разлагая уравнения (1) и (3) в ряд Тейлора в окрестности рабочей точки Iб0, Iк0 и пренебрегая нелинейными членами ряда в виду их малости, получим:
,
.
Найдем переменные составляющие токов в окрестности рабочей точки
,
.
Здесь частные производные, определяемые в рабочей точке, представляют собой y - параметры транзистора. Легко видеть, что y-параметры транзистора имеют вполне определенный физический смысл:
- проводимость база-эмиттер,
- обратная крутизна,
- крутизна,
- проводимость коллектор-эмиттер.
Параметры транзистора – дифференциальные и зависят от выбранной рабочей точки, т.е. от режима работы транзистора по постоянному току. Запишем уравнения транзистора в окончательном виде
,
.
Полученные уравнения обладают следующими особенностями:
-
система уравнений линейная с постоянными коэффициентами;
-
уравнения составлены не для полных величин токов и напряжений, а для изменений, приращений, т.е. для переменных составляющих;
-
уравнения приближенно описывают работу транзистора, т.к. при выводе не учитывались нелинейные члены ряда в разложении функций. Нелинейными членами ряда можно пренебречь только при малых изменениях токов и напряжений в окрестности рабочей точки;
-
коэффициенты уравнений легко могут быть определены по характеристикам транзистора.
Проведенный вывод уравнений соответствует замене нелинейных характеристик транзистора касательными в рабочей точке и переносе начала координат в рабочую точку. При этом переменными являются не полные значения токов и напряжений, их приращения, изменения (переменные составляющие). Свойства транзистора характеризуются дифференциальными параметрами: крутизной S, сопротивлением база-эмиттер rбэ, сопротивлением коллектор-эмиттер rкэ. Обратная крутизна Sr определяет обратную связь транзистора, ее величина маленькая и часто не учитывается.
Изменение коллекторного тока IK в зависимости от UБЭ характеризуется крутизной - S:
при UКЭ = const.
Крутизну S можно определить из передаточной характеристики транзистора.
На рис.2 показан пример определения крутизны транзистора из передаточной характеристики, полученной с помощью системы моделирования MicroCAP. Крутизна транзистора определена в рабочей точке А, коллекторный ток в которой равен 1 мА. Для определения крутизны берутся малые отклонения в окрестности рабочей точки А Крутизна транзистора находится как отношение приращения тока коллектора к приращению напряжения Uбэ
.
Расчет по приближенным формулам дает близкий результат, полученному при моделировании
.
Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением
при UБЭ = const.
Дифференциальное выходное сопротивление можно определить из выходной характеристики транзистора рис.3.
Выходное сопротивление транзистора определена в рабочей точке А, коллекторный ток в которой равен 0,766 мА. Для определения выходного сопротивления берутся малые отклонения в окрестности рабочей точки А Выходное сопротивление транзистора находится как отношение изменения напряжения Uкэ к приращению тока коллектора Iк.
.
Расчетное значение выходного сопротивления в рабочей точке равно
.
Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное сопротивление
при UКЭ = const.
его можно найти по входной характеристике рис.4.
Входное сопротивление транзистора определена в рабочей точке А, ток базы в которой равен 20 мкА. Для определения входного сопротивления берутся малые отклонения в окрестности рабочей точки А Входное сопротивление транзистора находится как отношение изменения напряжения Uбэ к приращению тока базы Iб.
.
Расчетное значение выходного сопротивления в рабочей точке равно
.
Рассмотренные параметры характеризуют свойства транзистора только при достаточно низких частотах переменных напряжений, поэтому они называются низкочастотными параметрами.
На рис.5. показана эквивалентная схема транзистора, соответствующая y - параметрам. Обратная связь в транзисторе, определяемая обратной крутизной Sr? в этой схеме не учитывается.
Если за независимые величин выбрать напряжение Uбэ и ток коллектора Iк , а независимые величины – ток базы Iб, и напряжение коллектор-эмиттер, то уравнения можно записать в следующем виде:
.
Выполняя аналогичные математические выкладки получим уравнения транзистора в h – параметрах
,
,
где
при Uкэ= const, входное сопротивление;
при Uбэ= const, коэффициент обратной передачи по напряжению транзистора;
при Uкэ= const, коэффициент передачи по току транзистора;
при Uкэ= const, выходная проводимость.
Уравнения транзистора в y и h – параметрах эквивалентны. Одни параметры могут быть выражены через другие:
, ,
, .
Для анализа схем можно использовать любую из рассмотренных систем уравнений.
3.2. Порядок проведения работы
1) Собрать схему, показанную на рис.6.
2) Снять зависимость IК(UКЭ) для базовых токов IБ1 и IБ2.
При определении зависимости IК(UКЭ) для IБ1 установить Rm=100кОм. Измерить UБЭ и определить IБ1 по формуле
, мА (3)
Напряжение коллектора транзистора можно изменять потенциометром RП. Измерить UКЭ и напряжение в точке А компенсационным методом. Ток IК вычисляется по формуле
.
Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таким же образом снять зависимость IК(UКЭ) для IБ2, установив для этого Rm=68 КОм. Результаты измерений занести в таблицу 2.
ЗАМЕЧАНИЕ: Для больших значений UКЭ (>1В) изменять UКЭ через 1В, для малых значений UКЭ (<1В) изменять через 0.3В. Ограничиться значениями
0.3 < UКЭ < 10В.
Таблица 1
Rm = 100 КОм Uбэ = IБ = |
||||||||||||
Uкэ, В |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
7,0 |
8,0 |
9,0 |
10 |
UА, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
URк,В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iк, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2
Rm = 68 КОм Uбэ = IБ = |
||||||||||||
Uкэ, В |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
7,0 |
8,0 |
9,0 |
10 |
UА, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
URк,В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iк, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3) Снять зависимость IБ(UБЭ) и IK(UБЭ).
Для снятия характеристики IБ(UБЭ) и IK(UБЭ) убирают потенциометр и с помощью магазина сопротивлений Rm изменяют сопротивление, включённое в цепь базы. Измеряют напряжения UБЭ и UКЭ. Определяют ток IБ по формуле (3), а ток IK по выражению
.
Результаты измерений занести в таблицу 3.
Таблица 3.3
R, КОм |
36 |
51 |
68 |
100 |
200 |
560 |
910 |
UбЭ, В |
|
|
|
|
|
|
|
UКЭ, В |
|
|
|
|
|
|
|
Iб, мА |
|
|
|
|
|
|
|
Iк, мА |
|
|
|
|
|
|
|
4) Построить графики зависимостей IК(UКЭ) для двух токов базы IБ1 и IБ2 в одной системе координат и графики зависимости IБ(UБЭ), IК(UБЭ), По графикам определить S, rбэ, rкэ.
5) Определить значения rбэ, rкэ, и s по известным формулам, сравнить их со значениями, полученными в пункте 4) и сделать выводы.
3.3. Содержание отчёта
1) Краткое описание задачи.
2) Схемы эксперимента.
3) Результаты эксперимента, сведённые в таблицы.
4) Графики экспериментальных кривых.
-
В системе MicroCAP в режиме DC получить характеристики транзистора, определить по ним параметры транзистора и сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными. Параметры транзистора необходимо определять для тех же значений токов бзы и коллектора, что и в случае экспериментальных данных.
6) Результаты расчётов rбэ, rкэ, и s.
7) Выводы.
3.4. Контрольные вопросы
-
Что такое эквивалентная схема транзистора?
-
Что влияет на параметры транзистора?
-
Какие достоинства и недостатки эквивалентных схем основанных на представлении транзистора четырехполюсником?
-
Нарисуйте эквивалентную схему транзистора в виде четырехполюсника.
-
Какие величины выбираются зависимыми, а какие независимыми при выводе уравнений транзистора в y и h параметрах?
-
Перечислите особенности уравнений транзистора в y параметрах.
-
Напишите уравнения транзистора в y и h параметрах.
-
Дайте определение y и h параметры.
-
Какой физический смысл y и h параметров?
-
Нарисуйте схему замещения транзистора в y параметрах.
-
Как экспериментально получить зависимость IК(UКЭ)?
-
Как экспериментально получить характеристику IБ(UБЭ)?
-
В каких пределах может находиться UКЭ транзистора, работающего в линейном режиме (в режиме малого сигнала)?
-
В каких пределах может находиться UКЭ транзистора, работающего в линейном режиме (в режиме малого сигнала)?
-
Чему равно UБЭ?
-
С какой целью используется сопротивление RП?
-
Дать определение S, rКЭ, rбЭ.
-
Как экспериментально определить S, rКЭ, rбЭ.