- •Лабораторная работа №201 Исследование характеристик полупроводниковых диодов
- •Порядок выполнения
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Электронно- дырочный переход и его применение Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика
- •Полупроводниковые диоды и их характеристики
- •Выпрямительные диоды
- •Импульсные диоды
- •Высокочастотные диоды
- •Туннельные диоды
- •Варикапы
- •Светодиоды
- •Фотодиоды
- •Оптопары
- •Магнитодиоды
- •1. Исследование статических характеристик транзистора,
- •2. Исследование усилительных свойств транзистора
- •3.Экспериментальное исследование усилителя
- •4. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Виртуальный эксперимент
- •Порядок выполнения работы
- •1.Исследование статических характеристик транзистора,
- •2. Исследование усилительных свойств транзистора
- •3. Исследование усилителя с емкостной связью по схеме с оэ
- •4. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Биполярный транзистор Структура, принцип действия, статические характеристики
- •Графический анализ процесса усиления электрического сигнала на биполярном транзисторе
- •Эквивалентные схемы биполярного транзистора
- •Частотные свойства транзистора
- •Аналитический расчет усилителя при схеме включения с оэ
- •Аналитический расчет усилителя при схеме включения с оэ
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Полевые транзисторы
- •Полевые транзисторы с управляющим - переходом
- •Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Дифференциальные параметры и эквивалентная схема полевого транзистора
- •Усилительные свойства полевых транзисторов
- •3. Определение дифференциального коэффициента усиления
- •4. Измерение входного сопротивления
- •5. Измерение выходного сопротивления
- •6. Исследование амплитудно-частотной и фазовой характеристик оу
- •7. Исследование переходной характеристики
- •Расчетное задание
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Физический эксперимент
- •Порядок выполнения работы
- •2. Определение напряжения смещения нуля операционного усилителя
- •3. Измерение входных токов смещения и разности
- •4. Определение значения входного сопротивления оу
- •5. Определение значения выходного сопротивления оу
- •6. Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Общие сведения об операционных усилителях
- •Основные параметры операционных усилителей
- •Основные характеристики операционного усилителя
- •Параметры операционных усилителей 140уд7 и 140уд8
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Физический эксперимент
- •Порядок выполнения работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Усилители постоянного и переменного напряжения
- •Идеальный операционный усилитель
- •Инвертирующий усилитель постоянного тока
- •Усилитель с емкостной связью
- •Сведения о конденсаторах и резисторах широкого применения
- •2. Исследование генератора с фазовращающей цепью
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Физический эксперимент
- •Порядок выполнения работы
- •1.Исследование генератора с цепью нулевого фазового сдвига
- •2. Исследование генератора с фазовращающей цепью
- •Генератор с цепью нулевого фазового сдвига
- •Генератор с фазосдвигающей цепью
- •1. Исследовать работу компаратора
- •2. Исследование работы триггера Шмидта
- •3. Исследование работы симметричного мультивибратора
- •4. Исследование работы несимметричного мультивибратора
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Виртуальный эксперимент
- •Порядок выполнения работы
- •1.Исследование работы компаратора
- •2. Исследование работы триггера Шмидта
- •3. Исследование работы симметричного мультивибратора
- •4. Исследование работы несимметричного мультивибратора
- •5. Исследование одновибратора
- •6. Исследование схемы генератора линейно изменяющихся напряжений
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Краткие теоретические сведения Импульсные схемы на операционных усилителях
- •Компараторы
- •Триггер Шмидта
- •Мультивибратор на основе оу
- •Одновибратор
- •Генераторы линейно изменяющегося напряжения
4. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя
Резистор в цепи эмиттера , устанавливается для ведения отрицательной обратной связи по постоянному току, что позволяет стабилизировать ток коллектора покоя.
Исследовать влияние эмиттерного резистора на напряжение база эмиттер покоя . Измерить напряжение при включенном и шунтированном резисторе . Сделать вывод о влиянии обратной связи на значение напряжения , которое определяет положение точки покоя. Объяснить полученный результат.
Исследовать влияние эмиттерного резистора на динамический режим работы. Отключить эмиттерный конденсатор , определить коэффициент усиления по напряжению . Сравнить с для случая, когда включен конденсатор . Сделать выводы и объяснить полученный результат.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
схему для снятия статических характеристик биполярного транзистора,
таблицы с полученными результатами,
входные и выходные статические характеристики транзистора,
результаты расчетов - параметров транзистора,
схему усилителя с емкостной связью,
рассчитанные значения параметров усилителя с емкостной связью,
выводы по результатам экспериментов.
Контрольные вопросы
Сформулируйте определение биполярного транзистора. Каково назначение и область применения транзисторов?
Поясните структуру и принцип действия биполярного транзистора.
Дайте определение входных и выходных вольт – амперных характеристик.
Сопоставьте входные характеристики транзистора с физическими процессами, протекающими в нем. Дайте объяснение виду входных характеристик.
Выделите на выходных характеристиках характерные участки, объясните их вид, связав с физическими процессами, протекающими в транзисторе.
Какой режим работы транзистора называют режимом покоя? Как графически определить координаты точки покоя?
Как изменится положение нагрузочной прямой при изменении и ?
Напишите выражения для определения - параметров при схеме включения с ОЭ.
Изобразите эквивалентную схему транзистора и усилителя с емкостной связью.
Приведите формулы, определяющие , , для схемы включения транзистора с ОЭ.
Объясните назначение элементов схемы усилителя с емкостной связью.
Объясните влияние конденсатора и резистора , включенного в цепь эмиттера, на работу усилителя.
Краткие теоретические сведения Биполярный транзистор Структура, принцип действия, статические характеристики
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя выводами. Название прибора “транзистор” состоит из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. В биполярных транзисторах, которые называют просто транзисторами, перенос электрического тока в кристалле полупроводника и усиление сигнала обусловлены движением носителей заряда обеих полярностей – электронов и дырок, поэтому он называется «биполярным».
Структура биполярного транзистора представляется тремя областями с чередующимися типами проводимости. Порядок чередования областей определяет транзисторы с прямой ( ) и обратной ( ) проводимостью. Упрощенные схемы структур и условные графические изображения этих типов транзисторов показаны на рис.9.
Рис. 9. Структуры транзисторов: прямой проводимости (а) и обратной проводимости (с). Условные обозначения транзисторов прямой проводимости (b) и обратной проводимости (d)
На месте контакта и образуется два перехода: эмиттерный и коллекторный. Взаимодействие между ними будет обеспечено тогда, когда толщина области между переходами, которая называется базой (Б), будет меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда. Примыкающие к базе области чаще всего неодинаковы. Одну из них изготавливают так, чтобы она обеспечивала эффективную инжекцию носителей в базу. Эта область обычно легирована значительно сильнее, чем база, и называется эмиттером (Э). Другая область должна наилучшим образом осуществлять экстракцию (отсос) носителей из базы и называется коллектором (К). Соответственно, примыкающий к эмиттеру переход называется эмиттерным, а примыкающий к коллектору – коллекторным. Рассмотрим работу транзистора на примере структуры прямой проводимости (рис.10).
Рис.10. Структура транзистора прямой проводимости и
потенциальная диаграмма
Подсоединим к транзистору внешние источники напряжения и . База является общим электродом для обоих источников, поэтому такое включение называют схемой включения с общей базой (ОБ). Полярность источников подбирают так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Под действием внешних источников потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается на величину , а на коллекторном - увеличивается на величину , как видно из потенциальной диаграммы(рис.10.)
Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе дырки переходят в базу (поток 1, ток эмиттера ), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора (поток 2, ток коллектора ). Перемещаясь через базу, часть дырок встречается с электронами и рекомбинируют с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части - поток 2 и поток 3 (ток базы ). Эти потоки являются основными, определяющими работу транзистора. Уравнения баланса токов можно записать в виде:
.
Усилительные свойства транзистора определяются интегральным коэффициентом передачи по току при схеме включения с общей базой
.
Он должен быть как можно ближе к единице, а это возможно за счет уменьшения тока базы, который возникает вследствие рекомбинации носителей заряда. Для уменьшения вероятности рекомбинации базовую область делают слабо легированной, уменьшают ширину базовой области, создают ускоряющее поле в базовом слое.
Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению неуправляемого тока - перехода (поток 4), он возникает за счет дрейфа неосновных носителей (электронов). С учетом этого тока, который называется неуправляемым током коллектора , можно записать
,
.
Статические вольт-амперные характеристики транзистора
Вид характеристик зависит от схемы включения транзистора. Различают три схемы включения с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис.11).
Рис.11. Схемы включения транзисторов:
с общей базой (а), с общим эмиттером (b), общим коллектором (с)
Обратите внимание, что общий электрод в индексе обозначения напряжения всегда стоит вторым.
Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, так как только такое включение обеспечивает значительный коэффициент усиления и по току, и по напряжению. Остановимся на анализе этой схемы включения (рис.12).
Рис.12. Схема включения с общим эмиттером
Обычно рассматривают два вида характеристик: входная и выходная.
Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении
имеет вид, показанный на рис.13.
Рис.13. Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ
При входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики двух - переходов, включенных параллельно.
Ток базы, при этом, равен сумме токов, проходящих через эмиттер и коллектор, причем последний работает в режиме эмиттера.
Если на коллектор подать отрицательное напряжение , то коллекторный переход окажется под обратным напряжением, ток базы будет составлять лишь малую часть тока эмиттера. Это объясняется двумя причинами:
происходит перераспределение токов между базой и коллектором, ток коллектора увеличивается, а ток базы уменьшается;
модуляция базовой области – это уменьшение ширины базы при приложении к коллектору обратного напряжения, вероятность рекомбинации уменьшается, что и приводит к уменьшению базового тока.
Увеличение по абсолютной величине приводит к сдвигу характеристики вправо. Это особенно заметно при относительно малых напряжениях, при росте напряжения характеристики практически сливаются в одну.
В токе присутствует составляющая , поэтому при ток , а ток .
Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе
имеет вид, показанный на рис.14.
Рис.14. Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ
Рассмотрев одну из статических характеристик, например, при , выделим на ней три участка: 1 - имеет сильную зависимость тока от напряжения ; 2 – пологий участок, имеющий относительно слабую зависимость; 3 – резкий рост тока.
На 1-ом участке при напряжение на коллекторном переходе равно , коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от эмиттера в коллектор и от коллектора в базу) взаимно уравновешиваются, и ток . По мере повышения напряжения , прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается и ток растет.
На 2-ом участке на коллекторный переход действует обратное напряжение, в этом случае справедливы выражения
,
.
Исключив , получим
или
,
где - коэффициент передачи по току при схеме с ОЭ;
- начальный или сквозной ток коллектора.
Коллекторные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс, вызванный эффектом модуляции базовой области.
На 3-ем участке наблюдается лавинный пробой коллекторного перехода, который может перейти в тепловой. Напряжение не должно превосходить допустимое значение, указанное в справочниках.
Анализируя вид выходных характеристик, учитывая, что реальные характеристики проходят почти параллельно оси напряжения, можно сделать вывод, что транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому током.