электроника / Лаб №4

Введение

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих р-перехода, называется биполярным транзистором. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы рисунок 1.

Рисунок 1 – Условные обозначения и устройство транзисторов p-n-p (а, б) и n-p-n (в, г) типов (показано смещение переходов транзисторов при работе в линейном режиме)

1 Цель работы

Целью работы является:

- определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;

- получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;

- получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;

- установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.

2 Общие теоретические положения

Биполярные транзисторы, как правило. изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложенных к электронно-тронным переходам. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению U_БЭ, через него протекает ток базы I_Б. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется выражением:

(1)

где - статический коэффициент передачи тока базы.

Прямое падение напряжения U_БЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

(2)

где - обратный ток коллекторного перехода, а — температурный потенциал, который при температуре Т=300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.

Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтампериые характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Входная (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора

Кроме БАХ рассматривают статический коэффициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивление. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзистора. На рисунке 3 приведена схема включения биполярного транзистора с обратной проводимостью (n-p-n - типа) по схеме с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следующее соотношение между токами:

(3)

где , , - сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора, соответственно.

Рисунок 3 - Включение биполярного транзистора

по схеме с общим эмиттером

Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора к току базы :

(4)

Коэффициент передачи тока определяется приращением коллекторного тока к вызывающему ею приращению базового тока:

(5)

Дифференциальное входное сопротивление r_i транзистора в схеме с общим эмиттером определится при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:

(6)

Биполярные транзисторы чаще всего используются в усилительных каскадах. На рисунке 4 изображен типичный транзисторный каскад с общим эмиттером. Режим работы биполярного транзистора в таком каскаде определяется силой базового тока. Для того, чтобы базовый ток был стабилен, база соединяется с источником напряжения Е_Б через высокоомное сопротивление R_Б

Рисунок 4 – Установка рабочей точки с помощью

стабильного тока базы

Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе.

Базовый ток транзистора в схеме (рисунок 4) определяется как ток через сопротивление в цепи базы R_Б:

(7)

Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рисунке 5 а)

Ток коллектора определяется точной пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рисунке 5 б)

Значение тока коллектора можно вычислит по формуле:

(8)

Рисунок 5 - Определение рабочей тачки транзистора по

входной (а) и выходной (б) вольтамперным характеристикам транзистора

При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных искажениях. Характерной особенностью данного режима является то, что при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.

Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:

(9)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_BXm и входного тока I_BXm.

(10)

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению U_XXm холостого хода на выходе усилителя и по

напряжению U_ВЫХm, измеренному для сопротивления нагрузки R_н, из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ:

(11)

3. Экспериментальная часть

3.1 Паспортные данные биполярного транзистора КТ3102Д

Максимальное допустимое (импульсное) напряжение коллектора-база	30 В
Максимальное допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер	30 В
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база	5 В
Максимально допустимый постоянный (импульсный) ток коллектора	100(200) мА
Максимальная рассеиваемая мощность	0,25 Вт
Статический коэффициент передачи тока	200-500 А
Граничная частота коэффициента передачи тока	150 МГц
Обратный ток коллектора	0,015 мкА
Обратный ток коллектор-эмиттер не более	0,05 мкА
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте	100 псек
Коэффициент шума биполярного транзистора	4 дБ
Диапазон температур	-25..+125°С
Корпус	КТ-17

Рисунок 6 – Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик биполярного транзистора

Задание 1. Определение коэффициента передачи по постоянному току и измерение передаточных характеристик биполярного транзистора

Устанавливаем с помощью ползунковых регуляторов, находящихся на передней панели ВП, напряжения источников питания Е_Б и Е_К, примерно равным указанным в таблице 1 и измеряем с помощью ВП соответствующие значения тока коллектора I_K, тока базы I_Б и напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ. Полученные результаты занесены в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты эксперимента

Uбэ, В	Ek, B	Ik, мА	IБ, мкА	Uкэ, В	βDC
0,48	1,5	0	-0,01	1,45	Не определ.
0,63	1,5	0,7	3,07	1,22	228
0,65	1,5	1,5	5,4	1,02	277
0,65	1,5	2	7,39	0,84	271
0,67	1,5	3	10,3	0,58	293
0,67	1,5	3,5	12,7	0,41	275
0,68	1,5	4	21,54	0,24	186
0,69	1,5	4,2	31,08	0,19	135
0,69	1,5	4,3	44,6	0,16	96,4
0,7	1,5	4,46	119,85	0,11	37,2
0,48	3	0	0	2,95	Не определ.
0,61	3	0,5	1,85	2,81	270,3
0,63	3	1	3,75	2,65	267
0,66	3	3	10,52	2,03	285
0,68	3	5	16,9	1,42	296
0,69	3	7	23,8	0,82	294
0,7	3	8,0	36,6	0,54	219
0,71	3	8,2	42,25	0,48	194
0,71	3	8,4	48,8	0,42	172
0,73	3	8,86	119,14	0,17	74

Значение статического коэффициента усиления транзистора находим по формуле:

Вывод: при увеличении тока на коллекторе коэффициент передачи уменьшается. Так же при рассмотрения зависимости тока эмиттера от коэффициента передачи ситуация будет аналогична.

Задание 2. Получение входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

С помощью цифрового элемента управления находящегося на передней панели ВП, устанавливаем значение напряжения питания коллектора Ек, равным 3 В. Нажмите на панели ВП кнопку «измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости входного тока I_Б транзистора от входного напряжения U_БЭ.

Рисунок 7 – ВАХ транзистора с общим эмиттером

По полученной ВАХ снимаем показание при Iб равное 10 и 40 мкА (таблица2). Вычисляем дифференциальное входное сопротивление транзистора при изменение базового тока.

Таблица 2 – Показания полученные при помощи ВАХ

Eк, В	Eб, В	Iб, мкА	Uбэ, В	Rвх, Ом
3	0,76	9,88	0,66	1308
	1,11	40,45	0,70

Дифференциальное входное сопротивление находим по формуле:

Вывод: Определено сопротивление для рабочих точек Rвх=1308, Ом

Задание 3. Получение семейства входных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Нажимаем на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом

индикаторе ВП появятся графики зависимостей коллекторного тока I_K от напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ , полученные при плавном изменении напряжения на коллекторе транзистора от О до 10 В и фиксированных значениях напряжения источника ЭДС базы Е_Б = 0,6 В; 0,74 В: 0,88 В; 1,02В;1.16 В. Установившиеся при этом значения тока базы I_Б отобразится на поле графика.

На графическом индикаторе ВП получим график зависимостей коллектора тока Iк от напряжение коллектора - эмиттер Uкэ (рисунок 8). Значение Iб соответственно равно:

Iб – (зеленая) = 19,4 мкА; Iб – (красная) = 8,5 мкA; Iб – (синяя) = 1,0 мкA.

Рисунок 8 – ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Определяем ток коллектора Iк, при фиксированном коллекторном напряжении Uкэ = 3, В и соответствующих значениях тока базы полученные ранее.

Iк – (зеленая) = 6,05 мA;

Iк – (красная) = 2,44 мA;

Iк – (синяя) = 0,2 мA.

Определяем коэффициент передачи тока βас при изменении тока базы по формуле

результат занесен таблицу 3.

Таблица 3 – Показания полученные с помощью ВАХ

	Iб, мкА	Iк, мА	βас
красная	8.5	2.44	331,192
зеленая	19,4	6,05

Построение на графике выходных характеристик транзистора (рисунок 9) линии нагрузки по двум точкам: точка Eк = 3, В на оси абсцисс и точки Iк = 10, А. Оценка по выходным характеристика и линии нагрузки запишем значения тока коллектора и тока базы в рабочей точке. По графику соответственно:

Iк* = 5 мA

Iб* = 15,8 мкA

Рисунок 9 – Построение линии нагрузки

Вывод: Получены семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и найден для них ток Iб=8,5; 19,4 и Iк=2,44; 6,05 по значениям, которых был рассчитан коэффициенты передачи βac = 331,192

Задание 4. Установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером

Схема выполнения данного задания остается прежней с единственным изменением добавлен, «источник входного гармонического напряжения». Устанавливаем амплитуду напряжения источника входного гармонического напряжения Uвх = 0, и напряжение источника ЭДС коллектора Eк = 5, В. Полученный график (рисунок 10) полностью соответствует графику (рисунок 9). Регулируя ЭДС источника смещения базы Eб, устанавливаем значение тока базы Iб* = 15,8 мкА. Записываем в таблицу 4.

Таблица 4 – Параметры статического режима транзисторного усилителя

Iб, мкА	Uбэ, В	Iк, мА	Uк, В
16,35	0,67	4,97	1,51

Рисунок 10– График установки рабочей точки транзисторного каскада

Таблица 5. Определяем амплитуду входного и выходного сигнала

	Uвх, В	Uвых, В
max	0.69	2.2
min	0.66	0.8
Um, В	0.015	0,7

где

Коэффициент усиления транзисторного каскада:

К_у=46,7

Вывод: Установлена рабочая точка транзисторного каскада с общим эмиттером на входе равная 0.015, на выходе 0.7.

Проанализировав полученные результаты, можно констатировать следующее:

1. Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки;

2. Большое входное сопротивление;